降低3d打印用鎳基高溫合金粉末材料熱裂傾向的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明是一種降低3D打印用鎳基高溫合金粉末材料熱裂傾向的方法，屬于粉末高溫合金領域。
【背景技術】
[0002]燃氣渦輪制造技術是一個國家最高工業(yè)水平的標志之一，高溫合金被稱為燃氣渦輪的心臟，一直以來都被用來制造燃氣渦輪熱端關鍵部件。提高渦輪前進口溫度是提高發(fā)動機效率和推重比最有效的方法，這也對材料的承溫能力提出了更高的要求，目前燃氣渦輪中熱端部件很多采用高強型鎳基高溫合金。3D打印是一種非常適合于發(fā)動機結(jié)構復雜零件成形和修復的工藝，它既節(jié)約了開模具的時間和高額成本，也不像鑄造和鍛造工藝有時會受零件復雜程度的限制。3D打印制造技術目前已應用于飛機鈦合金結(jié)構件，也開始嘗試應用于制造發(fā)動機熱端部件。其中部分強度水平較低的固溶強化型高溫合金已有3D打印工藝方面的報導，但采用3D打印工藝制備高強型高溫合金發(fā)動機熱端部件并成功將其應用于燃氣渦輪發(fā)動機的案例尚未見報導。高溫合金在3D打印過程中由于升降溫速度快，較傳統(tǒng)精密鑄造工藝熔化和凝固過程更易形成熱裂紋。高強型高溫合金由于γ ’含量較高，其熱裂傾向也遠高于固溶強化型高溫合金，因此以往通過單純工藝參數(shù)調(diào)整難以消除熱裂。目前，限制高強型高溫合金3D打印應用的最大屏障之一就是其熱裂傾向高，工藝參數(shù)窗口可調(diào)整范圍較窄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明正是針對上述現(xiàn)有技術狀況而設計提供了一種降低3D打印用鎳基高溫合金粉末材料熱裂傾向的方法，其目的是通過在鎳基高溫合金中添加較高含量的元素Hf、B或兩者的混合物，隨后采用惰性氣體霧化或者等離子旋轉(zhuǎn)電極法快速凝固制備過飽和合金粉末，降低大體積分數(shù)γ ’強化高強型鎳基合金粉末在3D激光/電子束快速熔化、凝固過程中的熱裂敏感性，為高強型鎳基高溫合金粉末3D打印部件提供更寬的工藝參數(shù)調(diào)整窗口。
[0004]本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的:
[0005]該種降低3D打印用鎳基高溫合金粉末材料熱裂傾向的方法是在鎳基高溫合金中添加元素Hf、B或兩者的混合物，其中:
[0006]單獨添加元素Hf的量為鎳基高溫合金質(zhì)量的3.0%?6.5% ；
[0007]單獨添加元素B的量為鎳基高溫合金質(zhì)量的0.10%?0.20% ；
[0008]添加元素Hf、B的混合物時，元素Hf的量為鎳基高溫合金質(zhì)量的2.0%?4.0%，元素B的量為镲基高溫合金質(zhì)量的0.10%?0.15% ；
[0009]添加元素Hf、B或兩者的混合物后的鎳基高溫合金通過惰性氣體霧化法或者等離子旋轉(zhuǎn)電極法快速凝固制備合金粉末。
[0010]所述的合金粉末為成分均勻的過飽和合金粉末，該合金粉末在快速凝固的條件下所添加的元素含量可以超出平衡溶解度極限，同時元素偏析被限制在細小粉末內(nèi)部微米極樹枝晶尺度的微小范圍內(nèi)。該合金粉末在激光/電子束3D打印快速熔化過程中呈熔化和半熔化狀態(tài)，在隨后的快速凝固過程中同樣凝固成細小樹枝晶組織，元素偏析被限制在枝晶間距微米數(shù)量級。同時，粉末在快速凝固成塊體材料的過程中凝固后期熔體流動性好，液體通道邊界平滑并保持連通到更低溫度，這使合金已凝固部分樹枝晶搭接部分具有較高的強度，從而防止大體積分數(shù)γ ’強化高強型鎳基合金粉末在3D激光/電子束快速熔化、凝固過程中的熱裂缺陷的形成。
[0011]本發(fā)明技術方案的優(yōu)點在于，消除或減輕高Y ’含量高強型鎳基高溫合金粉末3D激光/電子束快速成形工藝快速升降溫過程的熱裂缺陷，為高γ ’含量高強型鎳基高溫合金粉末3D打印部件提供更寬的工藝參數(shù)調(diào)整窗口，從而提高成品率，成品率提高50%以上。
【具體實施方式】
[0012]實施例1
[0013]將本發(fā)明方法用于下述鎳基高溫合金，該合金的重量百分比成分為:
[0014]12.9Cr-20.2Co~2.0ff-3.9Μο_3.5Α1-3.7Τ?-1.0Nb-2.3Ta-0.02C-0.03B-0.05Zr-余量為Ni，在該合金中加入元素Hf，加入量為該合金重量的3.0%，制備該合金的母合金后通過真空感應熔煉重熔，隨后通過氬氣霧化快速凝固制備過飽和合金粉末，然后對合金粉末進行篩分，粒度范圍I?53 μπι，裝入真空或氣氛保護儲存罐中備用，再采用激光快速重熔合金粉末并冷卻凝固成塊體材料，通過目視和熒光滲透檢查該塊體材料未發(fā)現(xiàn)熱裂紋。
[0015]實施例2
[0016]將本發(fā)明方法用于下述鎳基高溫合金，該合金的重量百分比成分為:
[0017]10.4Cr-5.0Co_4.9ff-4.0Mo-6.1A1-2.7Τ?-0.016B-0.03C-余量為 Ni，在該合金中加入元素Hf，加入量為該合金重量的6.0%，制備該合金的母合金后通過真空感應恪煉重熔，隨后通過氬氣霧化快速凝固制備過飽和合金粉末，然后對合金粉末進行篩分，粒度范圍I?53 μπι，裝入真空或氣氛保護儲存罐中備用，再采用激光快速重熔合金粉末并冷卻凝固成塊體材料，通過目視和熒光滲透檢查該塊體材料未發(fā)現(xiàn)熱裂紋。
[0018]實施例3
[0019]將本發(fā)明方法用于下述鎳基高溫合金，該合金的重量百分比成分為:
[0020]5.6Cr-12.4Co_10.lff-2.1Μο-5.4A1-1.2Ti_3.0Nb-0.056Hf-0.0lC-余量為 Ni，在該合金中加入元素B，加入量為該合金重量的0.16%，制備該合金的母合金后通過真空感應熔煉重熔，隨后通過氬氣霧化快速凝固制備過飽和合金粉末，然后對合金粉末進行篩分，粒度范圍I?53 μ m，裝入真空或氣氛保護儲存罐中備用，再采用激光快速重熔合金粉末并冷卻凝固成塊體材料，通過目視和熒光滲透檢查該塊體材料未發(fā)現(xiàn)熱裂紋。
[0021]實施例4
[0022]將本發(fā)明方法用于下述鎳基高溫合金，該合金的重量百分比成分為:
[0023]5.6Cr-12.4Co_10.lff-2.1Μο-5.4A1-1.2Ti_3.0Nb-0.056Hf-0.0lC-余量為 Ni，在該合金中加入元素B，加入量為該合金重量的0.10%，制備該合金的母合金后通過真空感應熔煉重熔，隨后通過氬氣霧化快速凝固制備過飽和合金粉末，然后對合金粉末進行篩分，粒度范圍I?53 μ m，裝入真空或氣氛保護儲存罐中備用，再采用激光快速重熔合金粉末并冷卻凝固成塊體材料，通過目視和熒光滲透檢查該塊體材料未發(fā)現(xiàn)熱裂紋。
[0024]實施例5
[0025]將本發(fā)明方法用于下述鎳基高溫合金，該合金的重量百分比成分為:
[0026]5.6Cr-12.4Co_10.lff-2.1Μο-5.4A1-1.2Ti_3.0Nb-0.056Hf-0.0lC-余量為 Ni，在該合金中加入元素B，加入量為該合金重量的0.20%，制備該合金的母合金后通過真空感應熔煉重熔，隨后通過氬氣霧化快速凝固制備過飽和合金粉末，然后對合金粉末進行篩分，粒度范圍I?53 μ m，裝入真空或氣氛保護儲存罐中備用，再采用激光快速重熔合金粉末并冷卻凝固成塊體材料，通過目視和熒光滲透檢查該塊體材料未發(fā)現(xiàn)熱裂紋。
[0027]實施例6
[0028]將本發(fā)明方法用于下述鎳基高溫合金，該合金的重量百分比成分為:
[0029]5.8Cr-12.4Co_10.5W-1.1Μο-5.7A1-1.2Ti_2.5Nb_0.03C-余量為 Ni，在該合金中加入元素Hf、B的混合物時，元素Hf的量為鎳基高溫合金質(zhì)量的2.0%，元素B的量為鎳基高溫合金質(zhì)量的0.10%，制備該合金的母合金后通過真空感應熔煉重熔，隨后通過氬氣霧化快速凝固制備過飽和合金粉末，然后對合金粉末進行篩分，粒度范圍I?53μπι，裝入真空或氣氛保護儲存罐中備用，再采用激光快速重熔合金粉末并冷卻凝固成塊體材料，通過目視和熒光滲透檢查該塊體材料未發(fā)現(xiàn)熱裂紋。
[0030]實施例7
[0031]將本發(fā)明方法用于下述鎳基高溫合金，該合金的重量百分比成分為:
[0032]5.8Cr-12.4Co_10.5W-1.1Μο-5.7A1-1.2Ti_2.5Nb_0.03C-余量為 Ni，在該合金中加入元素Hf、B的混合物時，元素Hf的量為鎳基高溫合金質(zhì)量的2.0%，元素B的量為鎳基高溫合金質(zhì)量的0.15%，制備該合金的母合金后通過真空感應熔煉重熔，隨后通過氬氣霧化快速凝固制備過飽和合金粉末，然后對合金粉末進行篩分，粒度范圍I?53μπι，裝入真空或氣氛保護儲存罐中備用，再采用激光快速重熔合金粉末并冷卻凝固成塊體材料，通過目視和熒光滲透檢查該塊體材料未發(fā)現(xiàn)熱裂紋。
[0033]實施例8
[0034]將本發(fā)明方法用于下述鎳基高溫合金，該合金的重量百分比成分為:
[0035]5.8Cr-12.4Co_10.5W-1.1Μο-5.7A1-1.2Ti_2.5Nb_0.03C-余量為 Ni，在該合金中加入元素Hf、B的混合物時，元素Hf的量為鎳基高溫合金質(zhì)量的4.0%，元素B的量為鎳基高溫合金質(zhì)量的0.10%，制備該合金的母合金后通過真空感應熔煉重熔，隨后通過氬氣霧化快速凝固制備過飽和合金粉末，然后對合金粉末進行篩分，粒度范圍I?53μπι，裝入真空或氣氛保護儲存罐中備用，再采用激光快速重熔合金粉末并冷卻凝固成塊體材料，通過目視和熒光滲透檢查該塊體材料未發(fā)現(xiàn)熱裂紋。
【主權項】
1.一種降低3D打印用镲基高溫合金粉末材料熱裂傾向的方法，其特征在于:在镲基高溫合金中添加元素Hf、B或兩者的混合物，其中: 單獨添加元素Hf的量為鎳基高溫合金質(zhì)量的3.0%?6.5% ； 單獨添加元素B的量為鎳基高溫合金質(zhì)量的0.10%?0.20% ; 添加元素Hf、B的混合物時，元素Hf的量為鎳基高溫合金質(zhì)量的2.0%?4.0%，元素B的量為鎳基高溫合金質(zhì)量的0.10%?0.15% ; 添加元素Hf、B或兩者的混合物后的鎳基高溫合金通過通過惰性氣體霧化法或者等離子旋轉(zhuǎn)電極法快速凝固制備合金粉末。
【專利摘要】本發(fā)明是一種降低3D打印用鎳基高溫合金粉末材料熱裂傾向的方法，熱裂是高γ’含量高強型鎳基高溫合金粉末3D打印最主要的缺陷之一，嚴重限制了3D打印工藝在此類合金部件制備上的應用。本發(fā)明通過添加較高含量的元素Hf或B，或Hf、B混合添加，隨后采用惰性氣體霧化或者等離子旋轉(zhuǎn)電極法快速凝固制備過飽和高溫合金粉末，降低大體積分數(shù)γ’強化高強型鎳基合金粉末在激光快速熔化、凝固過程中的熱裂敏感性。本發(fā)明的優(yōu)點在于，消除或減輕高γ’含量高強型鎳基高溫合金粉末3D激光/電子束快速成形工藝快速升降溫過程的熱裂缺陷，為高強型鎳基高溫合金粉末3D打印部件提供更寬的工藝參數(shù)調(diào)整窗口。
【IPC分類】C22C19/05, B22F9/08, C22C19/03
【公開號】CN104988355
【申請?zhí)枴緾N201510402000
【發(fā)明人】鄭亮, 張國慶, 李周, 劉楊, 許文勇
【申請人】中國航空工業(yè)集團公司北京航空材料研究院
【公開日】2015年10月21日
【申請日】2015年7月9日