本發(fā)明涉及基板預(yù)熱方法技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種面向k465鎳基高溫合金激光增材制造的基板預(yù)熱裝置和預(yù)熱方法。

背景技術(shù)：

高溫合金在航空航天、燃氣輪機等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，k465鎳基高溫合金是一種析出相強化、固溶強化的鑄造鎳基高溫合金，該合金具有較高的熱強性、耐高溫氧化性，適用于制備航空發(fā)動機渦輪葉片。目前該合金常規(guī)成形工藝制造困難，甚至無法加工，而激光增材制造技術(shù)作為一種新型的高柔性、數(shù)字化制造技術(shù)，使其在航空航天及國防軍工領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景，采用激光增材制造技術(shù)可實現(xiàn)傳統(tǒng)工藝無法制備的一些難加工材料、結(jié)構(gòu)的制造，特別適用于大型薄壁空腔結(jié)構(gòu)件。

針對k465鎳基高溫合金激光增材制造工藝性能而言，其組織中分布于枝晶間的共晶相存在以及合金的低變形性，使得合金成形過程極容易出現(xiàn)裂紋，制備難度較大。而降低成形過程溫度場梯度，減少成形熱應(yīng)力是從工藝角度控制裂紋的最優(yōu)化方法。目前，許多研究機構(gòu)都提出了預(yù)熱裝置的實現(xiàn)方法，但是現(xiàn)有預(yù)熱方式設(shè)計復(fù)雜，成本高，尚無專用于k465鎳基高溫合金的激光增材制造預(yù)熱工藝和裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種面向k465鎳基高溫合金激光增材制造的基板預(yù)熱裝置和預(yù)熱方法，本發(fā)明由預(yù)熱工藝設(shè)計、預(yù)熱裝置構(gòu)型、預(yù)熱系統(tǒng)布置、預(yù)熱參數(shù)控制四個部分構(gòu)成。所述預(yù)熱裝置具有高柔性、低成本、適于大型結(jié)構(gòu)件制備及工程應(yīng)用的特點，采用本發(fā)明預(yù)熱裝置和預(yù)熱方法可有效解決k465鎳基高溫合金激光增材制造過程中由于溫度梯度過大而導(dǎo)致的變形與開裂等問題。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種面向k465鎳基高溫合金激光增材制造的基板預(yù)熱裝置，該裝置包括履帶 式加熱器、k型熱電偶、交流接觸器和溫度數(shù)顯調(diào)節(jié)儀，其中：所述履帶式加熱器置于基準平臺上，在基準平臺與履帶式加熱器之間放置隔熱層，成形基板放置于履帶式加熱器上面，所述k型熱電偶設(shè)于成形基板上；所述履帶式加熱器通過交流接觸器與數(shù)顯調(diào)節(jié)儀相連接，溫度數(shù)顯調(diào)節(jié)儀設(shè)置預(yù)熱溫度，并通過熱電偶監(jiān)測成形基板的實時溫度，來實現(xiàn)預(yù)熱裝置的開或關(guān)。

所述履帶式加熱器的尺寸依據(jù)待加工零件尺寸及基板尺寸設(shè)計，所述履帶式加熱器四周放置墊塊，通過墊塊使得成形基板由基準平臺支撐。

所述隔熱層的材質(zhì)為硅酸鋁纖維。

在成形基板的厚度方向中部位置處鉆合適尺寸的小孔，將熱電偶安置于基板上小孔位置處，用于檢測基板溫度。

利用上述預(yù)熱裝置進行k465鎳基高溫合金激光增材制造的基板預(yù)熱方法，該方法過程如下：

增材制造前，采用所述預(yù)熱裝置對基板進行加熱，在60min以內(nèi)基板由室溫上升至300-450℃，保溫15-30min后進行增材制造；增材制造過程中，采用所述預(yù)熱裝置持續(xù)對基板進行預(yù)熱處理，預(yù)熱溫度300-400℃；增材制造過程結(jié)束時，將預(yù)熱裝置溫度設(shè)置為150-200℃范圍，保持30-60min后，關(guān)閉預(yù)熱裝置，使成形零件自然冷卻。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果：

1、本發(fā)明針對k465鎳基高溫合金的材料特性和制備工藝方法，提出一種面向k465鎳基合金激光增材制造基板預(yù)熱裝置和方法，該裝置以履帶式加熱器作為核心加熱工藝元件，通過預(yù)熱工藝設(shè)計、預(yù)熱裝置構(gòu)型、預(yù)熱系統(tǒng)布置、預(yù)熱參數(shù)控制四個部分，顯著地改善k465鎳基高溫合金激光增材制造過程零件變形和開裂等問題，實現(xiàn)k465鎳基高溫合金無裂紋低成本的制造。該預(yù)熱方法具有較好的大型結(jié)構(gòu)及工程現(xiàn)場應(yīng)用前景。

2、通過合理的預(yù)熱工藝，可以顯著的降低成形過程由于成形過程溫度梯度造成的應(yīng)力不均勻的狀態(tài)，從而解決k465鎳基高溫合金激光增材制造過程變形開裂等問題。

3、對于大型結(jié)構(gòu)件激光增材制造過程而言，在增材制造前進行預(yù)熱處理，可以顯著的提高零件整體的溫度，從而提高增材制造過程單道熔覆寬度及單層高度， 能夠較明顯的提高加工效率(堆積速度)。

4、選用履帶式陶瓷型電加熱器作為加熱源，加熱過程安全性高，預(yù)熱系統(tǒng)組成簡單，適合于相關(guān)大型結(jié)構(gòu)及工程現(xiàn)場應(yīng)用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明預(yù)熱裝置原理圖。

圖2為預(yù)熱裝置安放原理圖。

圖3為履帶式加熱器原理圖。

圖中：1-k型熱電偶；2-成形基板；3-履帶式加熱器；4-硅酸鋁纖維；5-基準平臺；6-溫控箱。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳述。

本發(fā)明是在k465鎳基高溫合金激光增材制造過程，采用特定預(yù)熱裝置和預(yù)熱方法解決零件制造過程中由于溫度梯度過大而導(dǎo)致的變形與開裂等問題。

(1)預(yù)熱工藝設(shè)計

通過分析k465鎳基高溫合金的組分、析出相溶解溫度，預(yù)熱溫度要保證合金不發(fā)生相變化，其組織由γ、γ’、γ+γ’共晶相、碳化物相，析出相出現(xiàn)變化溫度在900℃以上，因此，本發(fā)明預(yù)熱溫度應(yīng)該在900℃以下；而k465鎳基高溫合金的完全去應(yīng)力溫度區(qū)間在650～700℃之間。最終結(jié)合合金特征、成形工藝特點，增材制造過程合金預(yù)熱溫度保證在700℃以下，結(jié)合加熱裝置特點、增材制造設(shè)備高溫環(huán)境工作熱穩(wěn)定性等確定出預(yù)熱溫度區(qū)間。另外由于成形結(jié)構(gòu)件尺寸范圍較大，要求預(yù)熱裝置有較大的有效預(yù)熱范圍，預(yù)熱溫度控制精度高。

(2)預(yù)熱裝置構(gòu)成

由于成形結(jié)構(gòu)件尺寸范圍較大，要求預(yù)熱裝置有較大的有效預(yù)熱范圍，要保證預(yù)熱溫度高，預(yù)熱溫度控制精度高?；谝陨咸攸c選擇履帶式加熱器作為加熱元件來實現(xiàn)成形預(yù)熱控制。履帶式加熱器尺寸選擇依據(jù)待加工零件尺寸及基板尺寸設(shè)計，在加熱過程中，履帶式加熱器置于成形件底部，并緊密貼合，有效避免由于成形粉末沉積而造成設(shè)備危險，履帶式加熱器可以充分滿足預(yù)熱范圍較大和預(yù)熱溫度 較高的要求?？梢詫崿F(xiàn)成形基板的預(yù)熱溫度在100-700℃之間。

本發(fā)明基板預(yù)熱裝置原理圖如圖1所示，該基板預(yù)熱裝置由履帶式加熱器3、k型熱電偶1、交流接觸器、xtdm數(shù)顯調(diào)節(jié)儀等關(guān)鍵部件構(gòu)成，其中數(shù)顯調(diào)節(jié)儀可以實現(xiàn)在室溫-700℃范圍內(nèi)溫度設(shè)定，并且通過連接k型熱電偶實時監(jiān)測與顯示成形基板當前溫度。當溫度達到設(shè)定溫度時，數(shù)顯調(diào)節(jié)儀通過控制交流接觸器，關(guān)閉加熱器。溫度低于設(shè)定溫度時，自動開啟加熱器加熱。

(3)預(yù)熱裝置布置

本發(fā)明的預(yù)熱裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，將履帶式加熱器3放置于基準平臺5上，在成形基板2與履帶式加熱器3之間放置硅酸鋁纖維4，放置硅酸鋁纖維層的目的在于限制履帶式加熱器產(chǎn)生的熱量向基準平臺5處傳遞，最大限度的向成形基板2傳遞，成形基板2放置于履帶式加熱器3上面；

在履帶式加熱器3四周放置墊塊，使得成形基板2由基準平臺5支撐，避免成形基板2將履帶式加熱器3的陶瓷片壓壞，墊塊的高度設(shè)置要合理，設(shè)置原則要保證履帶式加熱器3與成形基板2能夠緊密接觸卻不產(chǎn)生太大的壓力而壓碎陶瓷片。履帶式加熱器3通過交流接觸器(溫控箱6內(nèi)部)與數(shù)顯調(diào)節(jié)儀相連，在基板厚度方向中部位置處鉆合適尺寸的小孔，將k型熱電偶1安置于基板小孔位置處，用于檢測基板溫度。k型熱電偶與數(shù)顯調(diào)節(jié)儀相連。數(shù)顯溫度調(diào)節(jié)儀設(shè)置預(yù)熱溫度，并通過熱電偶監(jiān)測基板實時溫度，來控制預(yù)熱裝置的開關(guān)。采用該套預(yù)熱系統(tǒng)，可以顯著的改善增材制造過程零件變形及脆性材料開裂問題。對于尺寸大的成形基板，預(yù)熱裝置能夠在預(yù)熱區(qū)域均勻預(yù)熱，避免不同位置處存在溫度差異，對成形零件的最終質(zhì)量也有很重要的影響。

圖3為履帶式加熱器示意圖，鎳鉻加熱絲在該加熱器中呈型“弓”字型迂回布置，保證在加熱面積內(nèi)，最大限度的提升加熱效率，電熱絲外部由耐高溫和絕緣性的陶瓷片保護，該加熱器的有效加熱面積達600mm×420mm、最高加熱溫度可達1000℃。其中加熱面積可以依據(jù)具體的工藝條件適當?shù)倪x擇。增材制造過程是一個多塵環(huán)境，另外粉末可能會沉積到加熱器件上而造成危險，在預(yù)熱過程必須將履帶式加熱器完全的隱藏于基板下部，并將四周進行密封處理。

增材制造過程中熔覆頭與基板之間距離較短，而當基板預(yù)熱溫度在300℃以上時，針對由于熱輻射作用而導(dǎo)致的熔覆頭前端送粉軟管和冷卻水管出現(xiàn)軟化情況， 本發(fā)明采用隔熱措施，在該塑料套管上加套內(nèi)徑為8mm的al2o3陶瓷隔熱管，可以有效地避免送粉管軟化現(xiàn)象。

(4)預(yù)熱參數(shù)設(shè)計

對于激光增材制造過程基板預(yù)熱參數(shù)設(shè)計的關(guān)鍵在于預(yù)熱溫度的設(shè)計和保溫時間的選擇，其中預(yù)熱溫度設(shè)計依據(jù)材料特性、激光增材制造過程裂紋傾向性、基板變形情況、已成形部位高溫狀態(tài)氧化情況、成形效率等多個因素進行確定，通過分析以上相關(guān)因素，確定最合理的預(yù)熱溫度區(qū)間。而對于大型結(jié)構(gòu)件，只有在激光增材制造全過程保證預(yù)熱溫度恒定，才能最大程度的發(fā)揮預(yù)熱裝置的優(yōu)勢。采用預(yù)熱裝置在空氣環(huán)境下進行增材制造過程中，發(fā)現(xiàn)基板預(yù)熱下端溫度在300℃以上時零件預(yù)熱對高溫合金制造過程裂紋控制有改善作用，而預(yù)熱溫度設(shè)置超500℃后，由于溫度太高，已成形部位和基板處無保護氣氛，導(dǎo)致這些位置處出現(xiàn)明顯氧化現(xiàn)象。預(yù)熱溫度設(shè)置在300-450℃范圍內(nèi)，綜合裂紋傾向性、預(yù)熱速率、成形效率達到最優(yōu)化。對于成形結(jié)束后，對成形零件進行保溫，可使零件冷卻速度下降。降低溫度梯度顯著的降低后續(xù)零件開裂情況。

本發(fā)明采用上述預(yù)熱裝置，進行了k465高溫合金零件增材制造，增材制造過程設(shè)置的基板預(yù)熱溫度為300-450℃，采用履帶式加熱器，由室溫上升到400℃，需要時間為60min以內(nèi)，該預(yù)熱裝置具有較高的預(yù)熱速率，另外預(yù)熱溫度精確調(diào)節(jié)。在該溫度下加熱持續(xù)20min左右，保證基板整體溫度均勻后，再開始進行增材制造，成形過程中持續(xù)進行預(yù)熱處理(300-400℃)，保證基板溫度恒定在預(yù)熱溫度范圍內(nèi)。在增材制造過程結(jié)束時，將預(yù)熱系統(tǒng)溫度設(shè)置為150-200℃范圍，保持30-60min后，關(guān)閉預(yù)熱裝置，使成形零件自然冷卻，經(jīng)對比分析表明，采用預(yù)熱處理相比于不采用預(yù)熱顯著降低了高溫合金成形零件表面裂紋情況、提升了增材制造效率。