本技术涉及一种增材制造合金构件的性能优化方法及相应设备,通过分析合金构件在不同部位的性能需求,对构成合金构件的熔融层进行性能区域划分,并精确确定各个性能区域的参数,以实现构件整体性能的最优调控。
背景技术
基于粉末床的增材制造,如LPBF(Laser Powder Bed Fusion,激光粉末床熔融),通过激光束逐层熔化并凝固粉末材料,以实现高精度和复杂几何形状的零件制造。该技术在制造合金构件方面具有独特优势,如减少材料浪费、缩短生产周期、实现轻量化设计等。
在增材制造过程中,材料的晶粒特征对最终产品的机械性能具有重要影响。例如,晶粒的尺寸和形态会影响材料的强度、延展性、抗疲劳性以及抗氧化性等性能。因此,不同部件根据其使用环境和力学要求,对晶粒特征有着不同的需求。
例如,镍基高温合金因其卓越的高温性能,常用于航空发动机和涡轮机中的关键部件,如涡轮盘和涡轮叶片。这些部件在服役过程中承受复杂载荷,因此对材料的力学性能要求极高。涡轮盘需承受多轴应力,要求等轴晶粒结构以确保各向同性性能;而涡轮叶片主要受单轴应力,往往需要定向晶粒如单晶或柱状晶,以满足特定方向的高温强度需求。目前关于LPBF制造镍基高温合金的晶粒调控,国内外已有公开报道。采用调整工艺参数的方法,通过调整激光功率、扫描速度、扫描间距在较高的能量密度下产生具有较高的深/宽比的熔池,促进等轴晶粒结构;采用热处理的方法,通过再结晶使得合金中形成各向同性晶粒结构;采用层间选择的扫描策略减少镍基高温合金中的晶体织构;采用合金成分设计的方法,合金中添加稀土元素获得高等轴晶占比的晶粒结构。
然而,现有技术大多依赖于复杂的工艺参数调整或后处理工艺来实现晶粒特征的调控。这些方法通常涉及多个变量的精确调控,如激光功率、扫描速度、扫描间距等,以形成特定的熔池形态和冷却速率,从而影响晶粒的生长和排列。此外,还可能需要在制造后进行额外的热处理,以重新结晶或优化材料的微结构。这些操作往往繁琐,增加了工艺的复杂性,并且效果也可能受到各种工艺参数相互影响的限制,难以在不同区域实现均匀而精确的晶粒调控,导致最终产品性能不一致或难以达到预期标准。
实现思路