激光选区熔化成型工艺参数控制镍基高温合金缺陷的研究

激光选区熔化成型工艺参数控制镍基高温合金缺陷的研究

激光选择形成过程是一个多物理场的耦合过程。在极短距离内，可以完成许多复杂的力学行为，如熔融、冷却和硬化。由于成形过程中存在剧烈的温度变化、较大的熔池凝固速率等各种不稳定因素，因此成型件易出现翘曲变形、熔合不良、开裂等宏观缺陷，内部也易出现气孔、未熔合、裂纹等内部缺陷采用激光选区熔化技术制备的镍基高温合金难免会存在缺陷，其存在会影响材料的安全服役，由于破坏性检测手段本身的局限性，无法完成非破坏性的实时检测。因此，本文通过优化成型工艺参数，进而控制成型件缺陷，且对比分析了3种不同无损检测方法对增材制造常见微小缺陷的检测能力。1技术参数优化成型件内部缺陷是制约激光选区熔化成形工艺技术发展的瓶颈问题之一，而裂纹是激光选区熔化成形中最棘手也是亟需解决的问题。温度场、应力场的不均匀，成分偏析、气孔夹杂等都会萌生和扩展裂纹，裂纹的来源多种多样，控制方法也很多。通过优化工艺参数可达到抑制裂纹的目的，尤其是激光功率、铺粉厚度、扫描速率和扫描线间距等参数。在激光选区熔化成型过程当中，零件的致密度与体能量密度相关，随着体能量密度的增加，零件的致密度整体呈先增加后下降的趋势。而体能量密度与扫描工艺参数当中的扫描速度、激光功率、层厚、扫描间距的关系使用体能量密度（volumetricenergydensity,VED）的概念，其表达式如下：式中：P为激光功率，W;V为扫描速率，mm/s;H为铺粉厚度，μm;D为扫描线间距，μm。采用正交试验的方法，选择不同的工艺参数，制备试块，经组织对比与分析，对GH536材料的激光选区熔化参数进行优化。选择激光功率范围200～350W、扫描速率600～1500mm/s、扫描线间距90～130μm，选用铺粉厚度为40μm、光斑直径为80μm，扫描策略采用层间旋转角度67°。扫描策略示意图见图1。通过观察对应试块的组织结构，得出一组最优工艺参数。优化后的工艺参数如表1所示。2燃油喷嘴增材制造件的无损检测为检测增材制造燃油喷嘴的内部缺陷，评价其质量，利用荧光渗透检测、X射线检测与工业CT检测，对预置在增材制造燃油喷嘴内的微小缺陷进行检测，以研究这3种无损检测方法对增材制造常见微小缺陷的检测能力。2.1自乳化检测背景为了在检测缺陷时有效观察到缺陷，需确定其检测工艺。选择自乳化和后乳化3级灵敏度两种工艺检测激光选区熔化燃油喷嘴的表面状态，其荧光渗透检测结果如图2所示。结果表明：采用自乳化和后乳化3级灵敏度进行处理后，两者检测背景差异较大，其中自乳化检测背景良好，后乳化检测存在较重的黄绿色背景（见电子版彩图），说明激光选区熔化成型的燃油喷嘴宜采用自乳化检测工艺进行检测。为探究荧光渗透检测的缺陷检出率，打印了模拟件1个，在其安装板的不同部位设置了缺陷9个，包括7个气孔与2个微裂纹，缺陷深度不固定。预置的缺陷位置如图3所示。荧光渗透检测结果如图4所示。缺陷的尺寸及检测结果如表2所示。经检测，预置的1、2、3、4、7、8、9号缺陷荧光渗透检测结果有显示，且擦拭后2、4、7号缺陷重现。其结果表明，缺陷检测的重复性不好，尺寸为1mm×0.1mm×0.2mm的微裂纹缺陷无法识别，缺陷检出率仅为33%。对于尺寸处于0.1～0.4mm的增材制造件缺陷，由于缺陷本身的尺寸较小，且位置分布随机，因此，使用荧光渗透的方法检测缺陷的检出率不高。2.2工艺优化检测结果分析依据典型增材制造缺陷类型，设计不同尺寸、形貌的气孔、裂纹、缺陷，预置在零件主体的不同位置上。因增材制造件很多缺陷的设计尺寸达到甚至超出X射线检测极限，基于X射线的检测灵敏度，通过优化X射线检测的工艺参数，使用X射线检测增材制造燃油喷嘴的预置缺陷，以探究X射线的检测能力以及对增材制造件缺陷检测的适用性，对于激光选区熔化成型的喷嘴，参考铸造喷嘴的X射线检测工艺，各部位检测采用参数如表3所示。根据试验结果，对比实物预置缺陷，大部分0.2～0.4mm的气孔未检出。裂纹未检出，分析原因为预置缺陷尺寸太小，且深度方向尺寸太小，未达到缺陷检出需要的对比度，透照部位较厚，各部位灵敏度较低，安装板相对较薄。因此检出1个0.5mm气孔，像质计灵敏度为15在参照铸件喷嘴X射线检测工艺的基础上，采用工艺优化措施，使影像像质计灵敏度达到HB20160B级的要求如降低X射线透照电压，提高曝光量。对比可根据度式（2）计算：式中：ΔD为对比度；μ为射线衰减系数；G为胶片梯度；ΔT为缺陷与附近母材厚度差；n为散射比。降低透照电压以提高射线衰减系数μ，可提高影像对比度，并且曝光量增加可以降低影像的颗粒度，改进后像质计灵敏度为16经检测，优化参数后，对比度较高，然而检测结果仅比参数优化前多检出一条安装板上的1mm×0.1mm×0.2mm裂纹（表5），其余缺陷仍无法识别，缺陷检出率仅为15.4%。使用X射线检测增材制造件缺陷，由于设置的增材件的缺陷尺寸处于0.1mm×0.5mm之间，且位置分布随机，超出了X射线检测的能力。2.3油剂的检测结果工业CT是工业用计算机断层成像技术的简称，它能在对检测物体无损伤条件下，以二维断层图像或三维立体图像的形式，清晰、准确、直观地展示被检测物体的内部结构、组成、材质机缺损状况。使用工业CT对带有缺陷的增材制造圆柱试块进行检测，其使用的工艺参数如表6所示。检测结果如图6所示。结果表明，在圆形试棒的横截面上，不同片层下的缺陷数量与大小均不同，缺陷厚度约0.1mm，大小为0.1～0.5mm；在其余区域存在分散的细小孔隙，大小为0.1mm。从检测参数分析的结果可得出，缺陷检测分辨率优于20μm，密度分辨率优于5%。使用工业CT对带有缺陷的燃油喷嘴进行检测，其结果如图7所示。结果表明，位于喷嘴杆部的空腔薄壁结构，其表面有多道印痕，且存在孔隙，壁厚不均，多余物等缺陷。CT检测灵敏度优于0.1mm，壁厚分析准确度优于0.1mm。通过CT可直观呈现出零件内部的冶金质量包括多余物等缺陷，可有效的指导零件改进工艺方案，及时清理多余物，以保证产品交付质量。根据增材制造的工艺特点，其缺陷尺寸均较小，且缺陷内部被细微金属粉粒填充，影响检测对比度。超声波检测、磁粉检测和涡流检测存在诸多困难，采用荧光渗透检测与X射线检测对微小缺陷的识别能力不强，采用工业CT可有效检测增材制造件的内部微小缺陷、零件内部的冶金质量与多余物等缺陷。因此，工业CT检测可作为增材制造件内部冶金质量检测的优选方案。3gh336材料的激光热控制精度(1）通过优化成型工艺参数可达到减少增材制造件内部缺陷的目的，尤其是激光功率、铺粉厚度、扫描速率和扫描线间距等参数。(2）通过对GH5