一种基于双束激光的单晶高温合金杂晶缺陷的同步熔化沉积-重熔消除方法与流程

本发明涉及属于3d打印及高温合金制备与修复领域，具体涉及一种消除单晶高温合金修复过程中杂晶形成的方法。

背景技术：

航空发动机被誉为工业皇冠上的明珠，对国民经济和科技发展有着巨大推动作用，标志了一个国家的综合国力、工业基础和科技水平，是国家安全和大国地位的重要战略保障。而航空发动机中的被称作飞机发动机“心脏”的涡轮燃气轮机，是提供飞机动力的重要组成部分。目前，大多数先进飞机发动机的涡轮燃气轮机的高压涡轮叶片已经采用了最先进的单晶高温合金叶片。通常情况下，高压涡轮叶片的工作环境最为恶劣，其温度最高，应力最复杂，因而在服役过程中会出现叶尖磨损侵蚀，叶片出现裂纹等缺陷导致叶片无法继续使用而进行更换。但是，单晶叶片的成本极其高昂，更换费用非常高，因此目前针对受损的高温合金的修复技术已经成为了西方发达国家特别是航空大国的关键技术来研究。

目前针对于单晶高温合金叶片的修复手段一般都采用激光熔化沉积技术。针对于修复单晶高温合金的核心问题就是围绕如何获得基于母材外延生长的组织。因而需要精确地控制工艺参数来控制凝固条件，最终得到在母材上外延生长的柱状晶组织。目前适用于修复单晶的工艺窗口是十分狭窄的，要获得外延生长的单晶组织，需要确保精确控制工艺参数来获得足够大的温度梯度。通常情况下，单晶的修复是由逐层沉积形成的，其中每一层沉积时并不是完全一致的定向的柱状晶，靠近熔池上表面区域会形成等轴晶及偏离外延生长方向的柱状枝晶组织，统称为杂晶组织。这类杂晶组织会严重恶化单晶高温合金的高温性能，如高温蠕变及高温疲劳性能。另外杂晶的形成同样会引入晶界进而提供了热裂纹形成位置与扩展的路径。当修复区出现杂晶组织的，就会直接导致单晶高温合金修复失败。因而单晶高温合金修复过程中抑制杂晶的形成是一项关键的问题。专利cn104947175a公开了一种3d打印制备单晶高温合金块体材料的方法，采用后一层沉积时对上一层杂晶的重熔来改善单晶的外延生长，但是该方法中对层间的热裂纹的控制仍有待提高，最后一层的杂晶层需要机加工去除，造成材料的浪费，而且该方法的单晶的沉积效率相对较低，杂晶消除的成功率也局限于很狭窄的工艺窗口。专利cn110055526a公开了一种能量约束的单晶高温合金激光外延生长方法，采用特殊工装来过滤高斯光源来获得更加均匀的能量分布，从而达到对杂晶抑制较好的效果，但是工装的形状相对简单，对复杂形状的单晶构件适应性不好。通常情况下。

技术实现要素：

本发明旨在针对单晶高温合金修复过程中存在的杂晶问题，而提供一种利用双束激光沉积-重熔复合技术来消除单晶高温合金修复过程中杂晶的方法。

本发明的一种基于双束激光的单晶高温合金杂晶缺陷的同步熔化沉积-重熔消除方法，它是按照以下步骤进行的：

步骤一：对单晶高温合金试样进行预处理，加工单晶高温合金，待修复试样表面平行(001)晶面，试样表面经过600#砂纸打磨平整，最后用丙酮清洗干净后吹干备用；

步骤二：将试样固定于夹具上，设置前置激光的离焦量，同时调节送粉头与前置激光的位置，使粉末送入点处于第一束激光的区域内；

步骤三：前置激光沉积工艺参数:

设置前置激光的沉积功率500-1000w，离焦量-10～+10mm，激光扫描速度0.005-0.02m/s，单晶粉末粒径45-105μm，送粉速率2-10g/min；

步骤四：后置激光重熔工艺参数:

1)计算前置激光工艺条件下单层杂晶区域的参数，确定杂晶区的宽度wsg与杂晶区的高度hsg的值；

2)设置后置激光的光斑直径db＝wsg，然后计算出后置激光的功率，要求后置激光的功率达到的重熔深度hre＞hsg，其中，hre代表激光重熔深度，hsg代表杂晶层厚度，两束激光的间距控制在5-15mm范围内；

步骤五：所有参数设置完毕后，进行单晶修复，整个修复过程保证全程在氩气环境下进行，氧气含量低于50ppm。

进一步地，步骤二中，将试样固定于配有冷却系统的夹具上。

进一步地，步骤四中的第1)步中，计算前置激光工艺条件下单层杂晶区域的参数，是通过如下方式完成的：

利用有限元模拟软件，根据工艺参数计算出单层沉积过程中熔池内部不同的温度梯度与凝固速度，然后结合柱状晶-等轴晶转变的判据，求出柱状晶等轴晶转变的位置，最后得出等轴晶层的hsg；柱状晶-等轴晶转变的判据公式为：

式中g为温度梯度，v为凝固速度，φ为等轴晶的体积分数，n0为形核质点的数量，a和n为材料的物理参数。

进一步地，步骤四中的第2)步中，计算出后置激光的功率，是通过如下方式完成的：

首先确保后置激光的重熔深度大于杂晶层的厚度(即，hre＞hsg)，为了计算出对应的重熔功率，取hre＝1.1hsg。然后通过有限元模拟软件，计算重熔深度hre所对应的激光重熔的功率(pre)，即为后置激光的功率，其中扫描速度为前置激光的移动速度。

进一步地，步骤三中，设置前置激光的沉积功率600-900w，离焦量-8～+8mm，激光扫描速度0.008-0.02m/s，单晶粉末粒径50-100μm，送粉速率3-8g/min。

进一步地，步骤三中，设置前置激光的沉积功率700-800w，离焦量-6～+6mm，激光扫描速度0.01-0.02m/s，单晶粉末粒径60-80μm，送粉速率3-7g/min。

进一步地，步骤三中，设置前置激光的沉积功率500-800w，离焦量-5～+5mm，激光扫描速度0.015-0.02m/s，单晶粉末粒径60-70μm，送粉速率3-6g/min。

进一步地，步骤三中，设置前置激光的沉积功率500-700w，离焦量-3～+3mm，激光扫描速度0.015-0.02m/s，单晶粉末粒径50-80μm，送粉速率5-7g/min。

进一步地，步骤三中，设置前置激光的沉积功率500-700w，离焦量-3～+3mm，激光扫描速度0.015-0.02m/s，单晶粉末粒径50-80μm，送粉速率5-7g/min。

进一步地，步骤三中，设置前置激光的沉积功率500-900w，离焦量0～+2mm，激光扫描速度0.01-0.02m/s，单晶粉末粒径50-60μm，送粉速率3-6g/min。

进一步地，步骤三中，设置前置激光的沉积功率700-1000w，离焦0～+1mm，激光扫描速度0.01-0.02m/s，单晶粉末粒径70-100μm，送粉速率5-8g/min。

本发明使用沿激光扫描方向的纵向排布的双光束连续激光，两束激光焦点之间的间距保持在2-15mm，具体激光束扫描方向与单晶试样的位置关系见图1。粉末利用旁轴送粉的方式送入，双束激光中前置激光束(位于沿扫描方向最前方的激光束)来对粉末及单晶基体进行熔化，而后置激光束(位于沿扫描方向后方的一束激光)则直接作用在前置激光刚刚沉积完成的未完全凝固的沉积层表面，直接利用后置激光束对表层区域内的杂晶或者熔体内晶核的重熔，然后在正的温度梯度下重新凝固，确保下一层沉积在完全的单晶表面上进行。

为了实现消除单晶高温合金修复过程中杂晶形成的目的，本发明的具体方法为：

1.需要对单晶高温合金试样进行预处理，待修复试样表面垂直于[001]晶向，试样表面经过粗砂纸打磨平整，保证修复表面具有一定的粗糙度，来降低表面对激光的反射率。

2.将试样固定于配有冷却系统的夹具上，前置激光选择一定的离焦量，同时调节送粉头与前置激光的位置，使粉末送入点处于第一束激光的区域内。

3.确定前置激光工艺条件下单层杂晶区域的参数，如图2所示。确定杂晶区的宽度wsg与杂晶区的高度hsg的值。

4.设置后置激光的光斑直径db＝wsg，两束激光的间距控制在5-15mm范围内，在杂晶区底部与单晶区界面位置的温度基础上，计算出后置激光的功率，要求后置激光的功率能够达到的重熔深度hre＞hsg。

5.所有参数设置完毕后，进行单晶修复实验。

本发明的设计原理如下：

本发明在利用激光产生定向高温度梯度下形成外延生长组织的基础上，增加额外的激光束来完全重熔沉积层上部的杂晶区，而后继续在高温度梯度情况下形成近乎完全的外延生长的单晶组织。通常情况下，每一层沉积后会因靠近沉积层表面的区域的温度梯度显著下降而导致发生柱状晶转变为等轴晶，或者由于位于表面处的未熔粉末而形成的杂晶。针对于这些上部的杂晶，如果紧接着进行激光表面重熔处理，可以有效地将杂晶完全重熔，最后重熔的杂晶凝固形成外延生长的单晶组织。

本方法与普通的双光束具有明显的区别：本方法的两束激光并不是同时都作用在一个熔池中，本方法前置激光与后置激光形成两个独立的熔池，后置激光形成熔池的作用是用来重熔前置激光参数下形成上部的杂晶。

本方法的核心是确定后续激光的参数，可以完全重熔上部的杂晶：首先，利用模拟方法或者实验方法获得前置激光工艺条件下单层杂晶区域的参数，如图2所示。确定杂晶区的宽度wsg与杂晶区的高度hsg的值。固定后置激光的光斑直径db＝wsg，后置激光的扫描速度与前置激光的速度相同，根据能量输入与激光重熔深度hre之间的关系，然后求出后置激光的功率，要求后置激光的功率和杂晶区域的温度共同作用引起的重熔深度hre＞hsg，来完全重熔杂晶区并随后形成单层的全单晶组织。

本发明的有益效果是：

1.本发明引入串联型双激光束可以保证足够高的温度梯度条件下，有效地重熔每一层沉积后形成的杂晶，并随后凝固为单晶组织，可以有效扩大工艺窗口。

2.本方法可以有效地降低每一层沉积层的残余应力，进而可以降低凝固过程中热裂纹的敏感性，同时也能降低后续热处理环节再结晶的倾向；

3.结合了激光重熔后，修复区表面粗糙度显著降低且沉积区尺寸形貌稳定。

4.相比于普通修复方法，本方法可以显著提升单晶的修复的成功率与修复效率。

5.针对于激光沉积一层之后再进行激光重熔消除杂晶的方法会导致沉积层中组织的不均匀问题，尤其当构件形貌复杂路径较长时，组织不均匀的问题更严重；本方法利用同步激光沉积+重熔的方法，尤其当构件形貌复杂路径较长时，可以在每一层获得组织均匀的单晶结构，最终获得整体均匀的组织。

6.本发明在单晶叶片的修复乃至将来直接增材制造单晶叶片中具有极大的潜力。

附图说明

图1为双光束激光沉积-重熔复合技术修复单晶原理图；

图2为修复区上部杂晶区示意图；

图3为实施例2常规单束激光沉积修复组织形貌图；

图4为实施例1双束激光沉积-重熔复合修复组织形貌图。

具体实施方式

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。

本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

利用常规单束激光沉积修复方法及本发明方法的具体试验方案如下：

实施例1

采用本方法进行双束激光沉积-重熔复合修复试验：

步骤一：对单晶高温合金试样进行预处理，将单晶高温合金加工成φ15mm，高10mm的圆柱；圆柱底面为待修复试样表面且垂直于[001]晶向，试样表面经过600#砂纸打磨平整，最后用丙酮清洗干净后吹干备用；

步骤二：将试样固定于配有冷却系统的夹具上，采用旁轴送粉，同时调节送粉头与第一束激光的位置，使粉末送入点处于第一束激光的区域内。

步骤三：前置激光沉积工艺参数:

设置前置激光的沉积功率800w，离焦量+5mm，激光扫描速度0.01m/s，单晶粉末粒径45-105μm，送粉速率5g/min。

步骤四：后置激光重熔工艺参数:

1.计算杂晶区的尺寸参数：杂晶区宽度wsg＝1.2mm；杂晶区的高度hsg＝100μm。

2.设置后置激光的光斑直径db＝wsg，然后计算出后置激光的功率p＝240w，满足后置激光的功率达到的重熔深度hre＞hsg。此外，两束激光的间距控制在10mm。

步骤五：所有参数设置完毕后，进行单晶修复实验。整个修复过程保证全程在氩气环境下进行，氧气含量低于50ppm。经过激光扫描沉积+重熔10层后，获得修复试样。

本实施例修复区组织金相照片如图4所示。

步骤四中的第1)步中，计算前置激光工艺条件下单层杂晶区域的参数，是通过如下方式完成的：

利用有限元模拟软件，根据工艺参数计算出单层沉积过程中熔池内部不同的温度梯度与凝固速度，然后结合柱状晶-等轴晶转变的判据，求出柱状晶等轴晶转变的位置，最后得出等轴晶层的hsg；柱状晶-等轴晶转变公式为：

式中g为温度梯度，v为凝固速度，φ为等轴晶的体积分数，n0为形核质点的数量，a和n为材料的物理参数。

步骤四中的第2)步中，计算出后置激光的功率，是通过如下方式完成的：

首先确保后置激光的重熔深度大于杂晶层的厚度(即，hre＞hsg)，为了计算出对应的重熔功率，取hre＝1.1hsg。然后通过有限元模拟软件，计算重熔深度hre所对应的激光重熔的功率(pre)，即为后置激光的功率，其中扫描速度为前置激光的移动速度。

实施例2

采用常规单束激光沉积修复试验：

步骤一：对单晶高温合金试样进行预处理，将单晶高温合金加工成φ15mm，高10mm的圆柱；圆柱底面为待修复试样表面且垂直于[001]晶向，试样表面经过600#砂纸打磨平整，最后用丙酮清洗干净后吹干备用；

步骤二：将试样固定于配有冷却系统的夹具上，采用旁轴送粉，同时调节送粉头与第一束激光的位置，使粉末送入点处于第一束激光的区域内。

步骤三：激光沉积工艺参数:

激光沉积功率800w，离焦量+5mm，激光扫描速度0.01m/s，单晶粉末粒径45-105μm，送粉速率5g/min。

步骤四：所有参数设置完毕后，进行单晶修复实验。整个修复过程保证全程在氩气环境下进行，氧气含量低于50ppm。经过激光扫描沉积10层后，获得修复试样。本实施例修复区组织金相照片如图3所示。

对比图3和图4可以发现，采用常规单束激光沉积修复的单晶修复区组织残留较多杂晶，表面还残留少量未完全熔化的粉末。与常规单束激光沉积修复相比，采用本方案双束激光沉积-重熔复合修复后的修复区内为完全的单晶组织，同时表面没有未完全熔化的粉末残留。另外，修复区的高度也要明显高于常规单激光的对照实施例，显著提升了修复效率。