一种实现镍基功能零件局部凝固组织定制的激光金属3D打印方法与流程
本发明涉及激光金属材料加工领域，尤其涉及一种实现镍基功能零件局部凝固组织定制的激光金属3d打印方法。
背景技术：
在工业界及自然界中普遍存在梯度功能结构，其成分与构型随空间位置变化实现其特定功能，以适应各种服役或生存环境。目前，梯度功能结构主要有两种，即多材料梯度功能部件与同质梯度功能部件。多材料梯度功能部件是利用两种(或多种)性能不同的材料，通过连续改变材料的组成和结构，使界面消失，进而导致材料的性能随空间位置的变化而变化，如采用镍基双合金、钛基双合金和钢-钛-镍多合金，以实现飞机发动机整体涡轮叶盘盘心高的断裂强度和低周疲劳强度和盘缘及叶片高的高温蠕变强度；另一种是利用同种材料的不同组织形态具有的性能差异，通过对凝固组织的空间布局实现其梯度性能，如在航空航天领域，高温环境下晶界是产生高温蠕变断裂之源，将凝固组织调控为高取向的柱状晶(平行于主应力方向排列)甚至单晶后，可以有效提高涡轮叶片的高温性能并延长其服役寿命，而室温应用时，将组织调控为随机取向的等轴晶组织可有效提高材料的室温强度及塑性。
激光金属3d打印具有热源高度集中、稀释小及热影响区小等特点，其独特优势在于它具有将优异的材料性能与精确的制造过程相结合的潜力，使其极适合制造空间结构复杂、组织成分空间布局的功能零件。
目前，国内外研究机构对异种金属功能梯度材料进行了广泛的激光金属3d打印研究。北航采用激光熔化沉积方式制造了系列钛合金高强/低强(ta15/ta2)、中强/高强(tc4/tc11、ta15/tc11)、高强/高损伤容限(tc18/tc21)梯度结构，并设计了系列过渡区新型钛合金材料。西北工业大学研究了ti/rene88dt梯度渐变构件。北京有色金属院实现了钛基双合金tc11/γ-tial、tc11/ti2alnb、ta15/ti2alnb，镍基双合金gh163/rene95，不锈钢双合金ss316l/stellite31和多合金ss316l/镍基/ti6al4v梯度材料。西安交通大学研究了ti6al4v/cocrmo梯度材料和cu/w功能梯度材料的制造。英国兰卡斯特大学制造了ss316l/inconel718梯度渐变薄壁件。法国里昂大学实现了fe/fe-al的梯度材料。印度理工实现了stellite-21/奥氏体不锈钢双材料薄管件。波兰军事技术大学实现了fe-al/ss316l不锈钢环的制备。美国密歇根大学实现了ni/cr双材料负温度系数功能构件的制造。然而，由于不同比例的异种材料在熔池高温作用下经历原位冶金过程和合金化作用，异种材料梯度功能结构的激光金属3d打印仍面临诸多问题，如异种材料的热物性差异造成激光金属3d打印零件内部复杂热应力而导致的开裂，异种材料连接界面或过渡区产生脆性的有害相，异种材料功能梯度结构的协同热处理优化等。上述挑战严重制约了激光金属3d打印在多材料功能梯度材料制备中的应用。
材料的性能取决于材料的成分及显微组织。成分相同、组织不同的材料具有完全不同的性能。以ti60为例，等轴晶在600℃/160mpa蠕变量为1.359％，而柱状晶为0.1633％，在600℃/310mpa状况下等轴晶持久寿命为48h，而柱状晶持久寿命为354h。再如，镍基整体涡轮叶盘的盘心服役温度相对叶片较低，将盘心组织布局为细小等轴晶后可提高断裂强度和低周疲劳强度，而叶片的组织调控为平行于主应力方向排列的柱状晶甚至单晶后，可以有效提高高温蠕变强度。又如内柔外刚的齿轮，极硬的齿面用于抗击齿面接触冲击应力，较软的齿轮芯部用于缓解齿轮的振动。事实上，在自然界中也普遍存在这种利用同种材料实现梯度功能的结构。如植物中竹茎的径向截面通过空间渐变基材与纤维增强相实现柔性、强度、硬度和应力消除等依径向和轴向不同的方向性功能。如骨骼，分布与骨表面的高密度骨密质具有很强的抗压抗扭曲性，分布于内部的低密度骨松质存储骨髓。这些自然结构都是长期进化的产物。
目前，有关金属3d打印凝固组织调控的研究相对较少。现有报道主要通过调节工艺参数和外加温度场以改变熔池温度梯度、凝固速度和冷却速率，实现晶粒大小、形貌及析出相的控制；或通过规划路径策略，改变晶粒生长织构，以实现各向异性性能。比如，popovich等人采用随位置变化的工艺参数进行激光金属3d打印，通过获得梯度变化的凝固组织以实现显微硬度及拉伸性能的梯度变化。上述研究为金属3d打印的工艺-组织-性能关系等提供了很好的见解及理论基础，也为组织性能调控提供了很好的方法及思路。但由于激光金属3d打印过程中的物理过程极其复杂、影响参数众多，想要凝固组织及性能完全受控尚存在极大的挑战。目前，尚缺乏有效的方法对零件局部凝固组织进行精确调控或定制。
技术实现要素：
本发明的目的是提出一种操作简便、有效的激光金属3d打印方法，该方法可实现镍基功能零件局部凝固组织定制。本发明是通过如下步骤实现的：
步骤一：根据激光加工镍基合金柱状向等轴枝晶转变cet模型公式
式中a、n、n0及
步骤二：以冷却速率g*r为定值，从g*r＝10-1起，g*r值每上升两个量级，在步骤一获得的g-r二维坐标系中绘制出一条曲线，再根据λ1＝80*(g*r)-0.33，其中λ1为一次枝晶间距或等轴枝晶直径，单位μm，在曲线上标记出对应的λ1值，进而获得在g-r二维坐标系中同时包含枝晶形貌及枝晶尺寸大小信息的凝固组织选择图；
步骤三：根据零件局部所需的目标组织形貌及尺寸大小，从步骤二得到的凝固组织选择图中获得目标组织对应的温度梯度g及凝固速率r范围；
步骤四：将一组3d打印工艺参数输入三维有限元传热模型对熔池温度场进行计算，提取出激光开启1秒后任一瞬间熔池移动边界上的温度梯度g1及凝固速率r1值，与步骤三获得的g、r范围进行比较，若g1及r1均处于g、r范围，获得相应的3d打印工艺参数；若g1及r1不处于g、r范围，反复调整3d打印工艺参数输入，直到g1及r1均处于g、r范围，获得满足条件的工艺参数；
步骤五：重复步骤三和步骤四，直到完成镍基功能零件所有部位凝固组织与工艺参数的匹配；
步骤六：采用cura切片软件对镍基功能零件进行单层切片处理，获得单层随位置变化的3d打印工艺参数及扫描路径；
步骤七：重复步骤六直到完成镍基功能零件所有层的切片与工艺参数设置；
步骤八：将定制化的工艺参数设置输入激光金属3d打印系统进行3d打印，获得具有局部定制化凝固组织的镍基功能零件。
在步骤五中，所述的对镍基功能部件进行单层切片处理包括以下步骤：
1)根据单层中凝固组织的变化，映射成凝固参数的变化；
2)根据凝固参数的变化调整工艺参数生成随位置变化的激光参数及扫描路径。
在步骤七中，所描述的完成镍基功能零件所有层的切片与工艺设置是指获得零件随空间位置梯度变化的激光工艺参数及扫描路径。
在步骤八中，所述的激光金属3d打印系统，包括送粉式激光金属3d打印系统与粉末床激光金属3d打印系统；所述的工艺参数包括激光波形、光斑直径、峰值功率、扫描速度、送粉量、重复频率、搭接率及占空比。由于经过计算，得到了枝晶形貌及枝晶尺寸大小信息的凝固组织选择图，本发明通过根据零件局部组织要求，采用定制化的工艺参数，能有效实现零件局部凝固组织的定制，实现对零件局部凝固组织进行精确调控。
附图说明
图1为用本专利方法在高度方向通过逐层工艺参数切换得到的3d打印试样凝固组织图；
图2为用本专利方法针对同一层设计变工艺参数所获得的3d打印试样凝固组织图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
本发明具体包括以下步骤：
步骤一：根据激光加工镍基合金柱状向等轴枝晶转变cet模型公式
式中a、n、n0及
步骤二：以冷却速率g*r为定值，从g*r＝10-1起，g*r值每上升两个量级，在步骤一获得的g-r二维坐标系中绘制出一条曲线，再根据λ1＝80*(g*r)-0.33，其中λ1为一次枝晶间距或等轴枝晶直径，单位μm，在曲线上标记出对应的λ1值，进而获得在g-r二维坐标系中同时包含枝晶形貌及枝晶尺寸大小信息的凝固组织选择图。
步骤三：根据零件局部所需的目标组织形貌及尺寸大小，从步骤二得到的凝固组织选择图中获得目标组织对应的温度梯度g及凝固速率r范围。
步骤四：将一组3d打印工艺参数输入三维有限元传热模型对熔池温度场进行计算，提取出激光开启1秒后任一瞬间熔池移动边界上的温度梯度g1及凝固速率r1值，与步骤三获得的g、r范围进行比较，若g1及r1均处于g、r范围，获得相应的3d打印工艺参数；若g1及r1不处于g、r范围，反复调整3d打印工艺参数输入，直到g1及r1均处于g、r范围，获得满足条件的工艺参数；
步骤五：重复步骤三和步骤四，直到完成镍基功能零件所有部位凝固组织与工艺参数的匹配；
步骤六：采用cura切片软件对镍基功能零件进行单层切片处理，获得单层随位置变化的3d打印工艺参数及扫描路径；
步骤七：重复步骤六直到完成镍基功能零件所有层的切片与工艺参数设置；
步骤八：将定制化的工艺参数设置输入激光金属3d打印系统进行3d打印，获得具有局部定制化凝固组织的镍基功能零件。
图1为采用本专利提出的方法在逐层切换工艺条件下所获得的3d打印试样凝固组织图。试样具有逐层制造特征，层间距较均匀，平均层间距约为0.6mm(如图1(a)所示)。说明逐层切换的工艺条件下，仍能够对试样的层高进行有效控制。此外，相邻层具有不同的凝固组织形貌，奇数层由柱状枝晶组成，而偶数层主要由等轴枝晶/胞晶组成，说明该工艺能够有效改变凝固组织形貌。图1(b)与(c)分别为偶数层与奇数层典型枝晶组织形貌。图1(b)主要由有序排列的等轴枝晶/胞晶组成，而图1(c)由高度有序的柱状枝晶组成。图1(c)与(e)分别为相应区域的高倍sem形貌，可以看出，试样的枝晶组织非常均匀，平均一次枝晶间距约为4.5μm，而平均等轴枝晶直径约为3.8μm。上述结果表明，采用本专利方法可以有效地对沿高度方向的凝固组织进行精确调控或定制。
图2为采用本专利提出的方法针对同一层设计变工艺参数所获得的3d打印试样凝固组织图。图2(a)为试样界面的整体形貌。宏观上试样左端具有典型的带状结构，整体颜色较深，组织难以分辨，而试样右端颜色相对较亮，可以辨别其柱状枝晶形态。图2(b)及(c)为试样左端区域的低倍与高倍金相图，图2(d)为试样的sem图。从中可以看出，左端组织非常细密，主要有细小的短柱状或胞状枝晶组织组成，具有胞晶串组织形态，其平均一次间距约为2.9μm。图2(e)及(f)为试样右端低倍与高倍金相组织形貌，图2(g)为sem形貌。可以看出，试样右端主要由粗大的柱状枝晶组成，一次枝晶臂间距为12.8μm，同时也具有发达的二次枝晶，二次枝晶臂间距约为4.3μm。上述结果表明，采用本专利方法可以有效地对同一层不同位置的凝固组织进行精确调控或定制。
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