一种CoCrMo合金枝晶形貌的方法与流程

　　本发明属于金属增材制造领域，特别涉及一种cocrmo合金枝晶形貌的方法。

　　背景技术：

　　增材制造(additivemanufacturing，am)技术，也称“3d打印”，因其独特的逐层制造方式，极适合复杂整体结构零件的成形，在航空航天及汽车领域具有极其广阔的应用前景。激光增材制造(laseradditivemanufacturing,lam)技术是目前更具潜力的增材制造技术之一，它以高能激光束为热源，兼顾**成形与高性能成形需求，具有柔性高、周期短、成形不受零件结构及材料限制等优点，在高性能复杂金属零件的快速成形方面具有重要应用前景。

　　钴基高温合金是一种含钴质量分数为40％～65％的奥氏体高温合金，通过加入相当数量的镍、铬、钨和少量其他元素对基体进行强化。由于钴基高温合金在高温时具有较高的强度、良好的抗热疲劳、耐热腐蚀和耐磨性能，与镍基高温合金相比，具有更高的热导率和更低的热膨胀性。钴铬钼(cocrmo)合金因其良好的力学性能和生物相容性、较高的耐磨性和耐蚀性而可用于牙科修复、人体髋关节和膝关节的人工替代等医学领域。国内外学者针对钴基高温合金激光增材制造工艺、组织及性能等进行了大量的研究工作。已有研究显示，激光增材制造cocrmo合金具有如下特征：成形试样宏观组织以外延生长的粗大柱状晶为主，微观组织呈细小柱状枝晶或胞晶形态，且枝晶间伴随链状共晶相；在层间及道间，由于受循环沉积再热作用，局部发生组织粗化，形成伴随扫描轨迹的层带结构；成形件沉积态性能高于常规压铸件的性能，但成形件表现出明显的各向异性。上述研究为了解激光增材制造cocrmo合金组织及性能提供了很好的见解与理论基础，然而，尚缺乏有效的方法对激光增材制造钴基高温合金的枝晶形貌进行有效调控。

　　技术实现要素：

　　本发明提供一种cocrmo合金枝晶形貌的方法，所述方法能够对cocrmo合金的枝晶形貌进行有效调控。

　　为实现上述目的，本申请采用下述技术方案。

　　一种cocrmo合金枝晶形貌的方法，包括以下步骤：

　　(1)设置激光增材制造工艺的主要参数，其激光峰值功率p为500～1200w，扫描速度v为6～14mm/s，光斑直径d为1.2～2.8mm；

　　(2)采用步骤(1)所设置的参数对cocrmo合金进行激光增材成形，且记录cocrmo合金在激光增材成形过程中熔池经过单道熔覆层中部位置的温度变化，获得定点温度变化曲线；

　　(3)根据步骤(2)中得到定点温度变化曲线，计算出定点温度变化曲线的峰值温度t、液相线与温度曲线的截距t、及熔池冷却阶段的平均冷却速率ξ；

　　(4)重复步骤(2)及步骤(3)2到3次，根据每次得到的定点温度曲线得出：当t≥1.5tm、t≥0.6s、ξ≤4.2×103℃/s时，获得柱状枝晶；当1.2tm≤t≤1.5tm、0.35s≤t≤0.6s、ξ≥4.2×103℃/s时，获得等轴枝晶，其中tm为cocrmo合金的熔点；

　　(5)根据步骤(4)中得到数据信息，进行一步优化激光增材成形工艺参数，获得柱状枝晶形貌的主要工艺参数为：采用连续激光，其激光功率为500～1000w，激光扫描速度为8～14mm/s，激光光斑直径为1.2～2.5mm；获得等轴枝晶形貌的主要工艺参数为：激光波形为正弦波，激光更高峰值功率pmax为800～1200w，激光更低峰值功率pmin为200～400w，脉冲频率为5hz～20hz，扫描速度为6～10mm/s，送粉量为12～20g/min，光斑直径为1.5～1.8mm；

　　(6)根据零件所需要的枝晶形貌选择步骤(5)中相应的工艺参数进行cocrmo合金增材制造。

　　进一步地，步骤(2)中采用比色高温计记录cocrmo合金在激光增材成形过程中熔池经过单道熔覆层中部位置的温度变化。

　　进一步地，所用比色高温计的发射率为1.15、光斑尺寸为0.9mm，单个数据采集时间为1ms。

　　进一步地，步骤(6)中所述根据零件所需要的枝晶形貌选择步骤(5)中相应的工艺参数，并采用单向扫描路径进行cocrmo合金增材制造。

　　本发明的有益效果为：本发明通过记录cocrmo合金在激光增材成形过程中在激光增材成形过程中熔池经过单道熔覆层中部位置的温度变化，获得定点温度变化曲线，并且根据通过定点温度变化曲线，计算出定点温度变化曲线的峰值温度t、液相线与温度曲线的截距t、及熔池冷却阶段的平均冷却速率ξ，对cocrmo合金的激光增材成型参数进行优化，更终得出获得得到柱状枝晶的工艺参数及获得等轴枝晶的工艺参数，从而实现了cocrmo合金枝晶形貌的调控，能有效提高成形件力学性能。

　　附图说明

　　图1为实施例1中制得的cocrmo合金激光增材制造试样的金相图；

　　图2为通过现有方法制得的cocrmo合金激光增材制造试样的金相图。

　　具体实施方式

　　实施例1

　　一种cocrmo合金枝晶形貌的方法，包括以下步骤：

　　(1)设置激光增材制造工艺的主要参数，其激光峰值功率p为500～1200w，扫描速度v为6～14mm/s，光斑直径d为1.2～2.8mm；

　　(2)采用步骤(1)所设置的参数对cocrmo合金进行激光增材成形，且记录cocrmo合金在激光增材成形过程中熔池经过单道熔覆层中部位置的温度变化，获得定点温度变化曲线；

　　(3)根据步骤(2)中得到定点温度变化曲线，计算出定点温度变化曲线的峰值温度t、液相线与温度曲线的截距t、及熔池冷却阶段的平均冷却速率ξ；

　　(4)重复步骤(2)及步骤(3)2到3次，根据每次得到的定点温度曲线得出：当t≥1.5tm、t≥0.6s、ξ≤4.2×103℃/s时，获得柱状枝晶；当1.2tm≤t≤1.5tm、0.35s≤t≤0.6s、ξ≥4.2×103℃/s时，获得等轴枝晶，其中tm为cocrmo合金的熔点；

　　(5)根据步骤(4)中得到数据信息，进行一步优化激光增材成形工艺参数，获得柱状枝晶形貌的主要工艺参数为：采用连续激光，其激光功率为500～1000w，激光扫描速度为8～14mm/s，激光光斑直径为1.2～2.5mm；获得等轴枝晶形貌的主要工艺参数为：激光波形为正弦波，激光更高峰值功率pmax为800～1200w，激光更低峰值功率pmin为200～400w，脉冲频率为5hz～20hz，扫描速度为6～10mm/s，送粉量为12～20g/min，光斑直径为1.5～1.8mm；

　　(6)根据零件所需要的枝晶形貌选择步骤(5)中相应的工艺参数进行cocrmo合金增材制造。

　　进一步地，步骤(2)中采用比色高温计记录cocrmo合金在激光增材成形过程中熔池经过单道熔覆层中部位置的温度变化。

　　进一步地，所用比色高温计的发射率为1.15、光斑尺寸为0.9mm，单个数据采集时间为1ms。

　　进一步地，步骤(6)中所述根据零件所需要的枝晶形貌选择步骤(5)中相应的工艺参数，并采用单向扫描路径进行cocrmo合金增材制造。

　　图1为采用本发明中所述方法制备的cocrmo合金试样金相图。从图中可以看出，试样全部由细小的等轴枝晶组成。当激光波形为正弦波时，一方面熔池的热输入减小，提升了熔池冷却速率(ξ可达105～106℃/s)，有利于提高熔池过冷度与形核率，进而细化枝晶尺寸。此外，熔池在单个脉冲周期的关光间隔内进行多方向自由凝固，且凝固过程中凝固参数如温度梯度g与凝固速率r等发生剧烈变化，促进等轴枝晶的形成。上述因素导致激光增材制造cocrmo合金试样获得全部的细小等轴枝晶组织。

　　图2为采用现有方法获得的激光增材制造cocrmo合金试样金相图。从图中可以看出，试样由柱状枝晶组成。这主要是由于在连续激光作用下，随激光的移动，熔池呈准稳态平移凝固模式，熔池具有高的温度梯度，且冷却速率相对较慢(ξ为103℃/s量级)，因此，形成较为粗大的柱状枝晶。上述结果表明，采用现有技术难以获得激光增材制造cocrmo合金全部细小的等轴枝晶组织。