激光选区熔化增材制造的IN718构件、系统、热处理方法及装置与流程

本发明主要涉及金属增材制造领域，尤其涉及一种激光选区熔化增材制造的IN718构件、系统、热处理方法及装置。

背景技术：

镍基高温合金具有优良的抗氧化、耐腐蚀和耐高温性能，可广泛应用于航空发动机涡轮叶片、石化工业和船舶需要耐蚀关键部件。In718镍基高温合金是一种时效强化型镍基高温合金，以镍为基体(含量一般大于50％以上)，在-253℃-650℃范围内具有较高的强度、塑性和良好的抗氧化、抗腐蚀、焊接能力，因此在航空航天、核能、石油等领域中有广泛应用，有“万能合金”之美称。

In718高温合金的主要强化元素是Nb，约占总比重的5％(wt)左右，合金中的强化组织主要γ′析出相(Ni₃(Al，Ti，Nb)面心立方)和γ”相(Ni₃Nb体心四方)，晶界析出MC碳化物和δ相。

IN718合金中的这些主要强化相析出缓慢，经过铸造或高温锻造的该合金基体γ相在冷却过程中来不及析出γ′相和γ′’相，此时的材料力学性能较差，需要适当的热处理，使晶粒中析出均匀分布的γ′相和γ′’相，以达到工业应用的目的。在固溶和时效处理过程中，冷却速率、温度、时间等参数都会影响基体中强化相的析出，从而影响材料的力学性能。IN718合金是一种沉淀强化型镍铁基高温合金，通过调整热处理制度可以控制合金的晶粒度，最重要的是控制γ′析出相(Ni₃(Al，Ti，Nb)面心立方)和γ”相(Ni₃Nb体心四方)，晶界析出MC碳化物和δ相的形貌、分布和数量，从而获得不同级别的力学性能，以满足不同应用的需要。目前，国际国内通用的IN718合金热处理制度有两类(固溶+双级时效或双级时效)。

增材制造是基于材料堆积法的一种高新制造技术，一种不再需要传统的刀具、夹具和机床就可以打造出任意形状。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件。

激光选区熔化作为目前金属增材制造常见三种方式之一，可实现高精度、高表面光洁度，复杂部件一体成形，特别适用于制造具有复杂内腔结构、薄壁结构、网格减重结构的难加工钛合金、高温合金等零件，目前GE、空客、赛峰、中航工业、航天科工、中船重工等国内外企业已开始甚至批量使用激光选区熔化成形IN718镍基高温合金产品。

当激光停留在粉末时，金属粉末温度骤然上升并超过金属的熔点形成熔池，此时，熔融金属处于液相平衡，金属原子可以自由移动，合金元素均匀分布；当激光移动后，由于热源的消失，熔池以极快的速度凝固(约为10³-10⁵K/S)。在此过程中，金属原子和合金元素的扩散移动受限，抑制了晶粒的长大和合金元素的偏析，凝固后的金属组织晶粒细小，合金元素分布均匀，能够大幅提高材料的强度和韧性。因此，激光选区熔化成型的金属零部件具有致密度高、晶粒细小、组织均匀、力学性能优等优点。

由于选区激光熔化成形的快速凝固热力学和动力学特点不同于通常条件下的凝固，导致快速凝固伴随着强烈的非平衡效应。通常选区激光熔化成形IN718的成形温度在2000℃以上，而环境基板温度常处在200℃以下，液相在高过冷度状态下瞬时凝固，凝固过程为非平衡，基体γ处于过饱和状态，且熔池边缘与心部晶粒尺寸及组织结构不同，整体组织状态十分不稳定，造成IN718构件强度较低且构件内部存在很大的残余应力，须通过后续的热处理工艺改善其组织性能。

因此，为了得到具有优异性能的IN718构件，针对激光选区熔化成形IN718材料的工艺特点，为了使激光选区熔化增材制造方法成形的IN718构件的残余应力释放，组织得到均匀化，得到良好的强韧性匹配、耐腐蚀、耐高温性能，以满足航空航天产品对IN718合金结构件的要求，有必要提出一种适合激光选区熔化增材制造方法成形的IN718构件及制造系统、热处理方法及其装置。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种激光选区熔化增材制造的IN718构件、系统、热处理方法及装置，以得到具有优异性能的IN718构件，并使得IN718合金构件在打印过程中产生的残余应力得到消除，组织得到明显均匀化，使其耐蚀性、强韧性等得到很好提升，可满足航空航天产品对IN718合金结构件的要求。

本发明提供一种激光选区熔化增材成形的IN718构件，所述IN718构件在激光选区熔化成形时激光功率为275-800W，光斑直径为0.1-0.2mm，扫描速度为900-1400mm/s，铺粉层厚为0.04-0.08mm。

本发明提供一种激光选区熔化增材制造IN718的热处理方法，所述方法包括步骤：将成形的IN718构件置于真空热处理炉中进行真空退火热处理。

上述的方法，所述真空退火热处理包括：将真空热处理炉内温度升温到600-700℃后保温20-40min。

上述的方法，所述真空退火热处理包括：将真空热处理炉内温度升温到950-1050℃后保温2-4h。

上述的方法，所述真空退火热处理包括：将真空热处理炉抽真空到10^-3-10^-4Pa；将真空热处理炉内以5-10℃/min的速度升温。

上述的方法，所述真空退火热处理包括：将所述IN718构件的成形基板随同所述IN718构件一同真空退火热处理；将IN718构件随炉冷却至室温。

上述的方法，所述真空退火热处理为单道退火。

上述的方法，所述IN718构件经真空退火热处理后强度在1100MPa以上，延伸率达到20％以上，硬度大于42HRC。

本发明提供一种激光选区熔化增材制造IN718的热处理装置，所述装置包括真空热处理炉。

本发明还提供一种激光选区熔化增材制造IN718的系统，其包括3D打印机，还包括设于所述3D打印机工序后的真空热处理炉。

本发明的技术方案，经上述热处理后的IN718合金构件，构件在打印过程中产生的残余应力得到消除，组织得到明显均匀化，第二相溶解到奥氏体基体中后在炉冷过程均匀析出，使其耐蚀性得到很好提升；同时其室温抗拉强度达到不低于1100MPa，与此同时延伸率达到20％以上，硬度可大于42HRC，因而可满足一些航空航天产品对IN718合金结构件耐腐蚀、高强度、高硬度和高塑性的要求。

附图说明

图1是本发明IN718合金构件热处理工艺示意图；

图2是本发明真空热处理炉的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。

本发明提供的激光选区熔化增材制造IN718的系统，其包括3D打印机和真空热处理炉。真空热处理炉用于对成形后的IN718构件进行热处理，可单独作为IN718生产工艺的热处理装置。

3D打印机主要包括激光器、光学系统、加工平台系统和粉末铺粉系统等。

IN718构件的3D打印方法如下：IN718构件设计和辅助支撑结构设计完成后，将三维数模和辅助支撑分层切片，导入成形设备后，激光选区熔化装置的刮刀首先把薄薄的一层金属粉末均匀地铺在基板上，高能量激光束按照三维数模当前层的数据信息选择性地熔化基板上的粉末，成形出零件当前层的形状，然后刮刀在已加工好的层面上再铺一层金属粉末，高能束激光按照数模的下一层数据信息进行选择熔化，如此往复循环直至整个零件完成制造。

IN718合金选区激光熔化工艺参数为：激光功率为275-800W，光斑直径为0.1-0.2mm，扫描速度为900-1400mm/s，铺粉层厚为0.04-0.08mm。

制造完成的IN718构件接下来进行热处理。

由于激光选区熔化成形的快速凝固热力学和动力学特点不同于通常条件下的凝固，导致快速凝固伴随着强烈的非平衡效应。

通常选区激光熔化成形IN718的成形温度在2000℃以上，而环境温度常处在200℃以下，液相在高过冷度状态下瞬时凝固，凝固过程为非平衡，使得IN718组织中的基体γ处于过饱和状态，且熔池边缘与心部晶粒尺寸和相组织不同，组织状态十分不稳定，造成IN718构件的强度较低且构件内部存在很大的残余应力，故须通过后续的热处理工艺改善其组织性能。

本发明针对上述问题，专门研发了一种激光选区熔化增材制造IN718的热处理方法，包括：先将成形的IN718构件及成形基板上的粉末清理干净；随后可将基板及构件一同放入真空热处理炉中，当然也可只把IN718构件放入真空热处理炉，但因零件与基板分割可能会引起部分辅助支撑失效，导致零件变形，热处理效果可能没有随同基板一块进行热处理好。并将热处理炉抽真空到10^-3-10^-4Pa，随后以5-10℃/min的速度升温到600-700℃保温20-40min，接着继续升温到900-1000℃保温2-4h后使IN718构件随炉冷却至室温，至此热处理过程完成。随后再将炉膛卸真空到大气压，取出工件。

真空热处理即真空技术与热处理两个专业相结合的综合技术，是指热处理工艺的全部和部分在真空状态下进行的。真空热处理炉是近年来得到较大发展的先进热处理设备，工件是在超低气压的空间里进行加热和冷却的。它具有质量好、节能、安全和污染少等优点。

真空热处理炉热效率高，可实现快速升温和降温，可实现无氧化、无脱碳、无渗碳，可去掉工件表面的磷屑，并有脱脂除气等作用，从而达到表面光亮净化的效果。一般来说，被处理的工件在炉内加热缓慢，内热温差较小，热应力小，因而变形小，产品合格率高。

进一步地，真空热处理可降低成本，有除气作用，从而提高了工作的机械性能和使用寿命。其工作环境好，操作安全，没有污染和公害。被处理的工件没有氢脆危险，真空热处理工艺的稳定性和重复性好。因而对本发明针对的航空航天用材料IN718来说，可极大程度地保障其物理化学特征及表面洁净度，降低加工成本，提高加工效率。

上述的热处理工艺示意图如图1所示。其中“FC”代表随炉冷却。

真空热处理炉的结构如图2所示。

真空热处理炉的主体结构为炉体1，炉体上方盖有炉盖2，真空热处理炉还包括炉体1下方的支柱3，在炉体1内用于给炉体内部加热的加热体4，及用于给真空热处理炉抽真空的分子泵5。

经上述工艺处理后的IN718合金构件，打印过程中出现的热应力基本消除，组织得到明显均匀化，第二相溶解到奥氏体基体中，随后在炉冷过程中均匀析出，使耐蚀性得到很好提升；其强度达到不低于1100MPa，与此同时延伸率达到20％以上，硬度大于42HRC，可满足一些航空航天产品对IN718合金结构件耐腐蚀、高强度、高硬度和高塑性的要求。

实施例1

本发明的采用实施方式中的制造IN718合金构件的制造系统对IN718合金构件成形，IN718合金选区激光熔化工艺参数为：激光功率为275W，光斑直径为0.10mm，扫描速度为800mm/s，铺粉层厚为0.04mm。

制造完成的IN718构件进行热处理。

先将IN718构件置于真空热处理炉中，将热处理炉抽真空到10^-3Pa，随后以10℃/min的速度升温到600℃左右保温20min，接着继续以前述速度升温到950℃左右保温2h后使IN718构件随炉冷却至室温，至此热处理过程完成。随后再将炉膛卸真空到大气压，取出工件。

经上述工艺处理后的IN718合金构件，打印过程中出现的热应力基本消除，组织得到明显均匀化，第二相溶解到奥氏体基体中，随后在炉冷过程中均匀析出，使耐蚀性得到很好提升；其强度达到不低于1100MPa，与此同时延伸率达到20％以上，硬度可达到43HRC，可满足一些航空航天产品对IN718合金结构件耐腐蚀、高强度、高硬度和高塑性的要求。

实施例2

本发明的采用实施方式中的制造IN718合金构件的制造系统对IN718合金构件成形，IN718合金选区激光熔化工艺参数为：激光功率为800W，光斑直径为0.2mm，扫描速度为1400mm/s，铺粉层厚为0.08mm。

制造完成的IN718构件进行热处理。

先将IN718构件置于真空热处理炉中，将热处理炉抽真空到10^-4Pa，随后以5℃/min的速度升温到700℃左右保温40min，接着继续升温到1050℃左右保温4h后使IN718构件随炉冷却至室温，至此热处理过程完成。随后再将炉膛卸真空到大气压，取出工件。

经上述工艺处理后的IN718合金构件，打印过程中出现的热应力基本消除，组织得到明显均匀化，第二相溶解到奥氏体基体中，随后在炉冷过程中均匀析出，使耐蚀性得到很好提升；其强度达到不低于1100MPa，与此同时延伸率达到20％以上，硬度可达44HRC，可满足一些航空航天产品对IN718合金结构件耐腐蚀、高强度、高硬度和高塑性的要求。

实施例3

本发明的采用实施方式中的制造IN718合金构件的制造系统对IN718合金构件成形，IN718合金选区激光熔化工艺参数为：激光功率为540W，光斑直径为0.15mm，扫描速度为1200mm/s，铺粉层厚为0.06mm。

制造完成的IN718构件进行热处理。

先将IN718构件置于真空热处理炉中，将热处理炉抽真空到5x10^-4Pa，随后以7.5℃/min的速度升温到650℃左右保温30min，接着继续升温到1000℃左右保温3h后使IN718构件随炉冷却至室温，至此热处理过程完成。随后再将炉膛卸真空到大气压，取出工件。

经上述工艺处理后的IN718合金构件，打印过程中出现的热应力基本消除，组织得到明显均匀化，第二相溶解到奥氏体基体中，随后在炉冷过程中均匀析出，使耐蚀性得到很好提升；其强度达到不低于1100MPa，与此同时延伸率达到20％以上，硬度可达到43HRC，可满足一些航空航天产品对IN718合金结构件耐腐蚀、高强度、高硬度和高塑性的要求。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。