适于消除激光选区熔化成形热裂纹的哈氏合金及方法与应用技术

本发明专利技术涉及哈氏合金的3D打印成形技术领域，尤其涉及适于消除激光选区熔化成形热裂纹的哈氏合金及方法与应用。所述方法为在采用激光选区熔化技术对哈氏合金粉末进行成形制备哈氏合金时，所述哈氏合金粉末中添加有TiB

Method and application of Hastelloy alloy suitable for eliminating hot cracks in selective laser melting

【技术实现步骤摘要】
适于消除激光选区熔化成形热裂纹的哈氏合金及方法与应用
本专利技术涉及哈氏合金的3D打印成形
，尤其涉及适于消除激光选区熔化成形热裂纹的哈氏合金及方法与应用。
技术介绍
公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。哈氏合金(Hastelloy-X，HX)合金在900℃以下具有中等的持久和蠕变强度，主要用于制造航空发动机燃烧室部件及其他高温部件。由于航空发动机零部件的结构一般都比较复杂，基于HX合金并采用精密铸造、锻压等传统制造工艺开展加工，存在研发周期长和制造成本高等问题。与传统工艺相比，激光选区熔化技术(selectivelasermelting，SLM，又称3D打印技术)具有响应快、柔性成形及成形结构不受限等优势，特别适用于加工航空发动机复杂结构零部件。因此，采用激光选区熔化技术加工成形高性能HX航空燃烧室构件对于提高航空发动机使役性能、降低航空发动机研发成本具有重大战略意义。世界各国已经竞相开展HX合金零部件SLM高质量成形的科学问题和关键技术研究，研究结果表明，通过成形工艺参数优化可以有效提高HX合金的致密度和室温力学性能。然而，即使在最优工艺条件下成形的HX样件中仍存在大量的微裂纹，且此类裂纹无法通过工艺参数优化的手段进行消除。由于这种裂纹是在快速凝固过程中形成的，与内部热应力和低熔点共晶含量有直接关系，因此也被称为热裂纹。热裂纹缺陷降低了成形构件的强度和韧性，并显著降低构件的使役性能，已成为目前世界各国在研究SLM成形高性能HX中急需攻克的“卡脖子”关键技术。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出了一种适于消除激光选区熔化成形热裂纹的哈氏合金及方法与应用。本专利技术的方法能够有效抑制SLM成形HX合金中生成的热裂纹，最终显著提高了哈氏合金成形构件的强度和使役性能。本专利技术第一目的：提供适于消除激光选区熔化成形热裂纹的哈氏合金。本专利技术第二目的：提供适于消除激光选区熔化成形热裂纹的方法。本专利技术第三目的：提供所述适于消除激光选区熔化成形热裂纹的哈氏合金及方法的应用。为实现上述专利技术目的，具体地，本专利技术公开了以下技术方案：首先，本专利技术公开一种适于消除激光选区熔化成形热裂纹的方法：在采用激光选区熔化技术对哈氏合金粉末进行成形制备哈氏合金时，所述哈氏合金粉末中添加有TiB2粉体。进一步地，所述激光选区熔化技术的工艺参数为：激光功率100-200W，扫描速度300-1000mm/s，粉末层厚：20-50μm，扫描间距：70-130μm。其次，本专利技术公开一种适于消除激光选区熔化成形热裂纹的哈氏合金，其包含用于激光选区熔化成形的哈氏合金粉末，还包括不少于该哈氏合金粉末质量0.5％的TiB2粉体。进一步地，按质量百分数计，所述哈氏合金粉末组成包括以下组分：Cr22.5-23％，Fe17-20％，Mo8-10％，Co0.5-2.5％，W0.2-1.0％，Si<1.0％，Mn<1％，C0.05-0.15％，余量为Ni及不可避免的杂质；所述TiB2粉体的含量为上述哈氏合金粉末质量的0.5-5.0％。TiB2的含量不超过5％，这是因为当TiB2的含量过高时，由于微细粉比表面积大，尤其对于粉体尺寸小于100nm的纳米TiB2颗粒，极易团聚，高速混合过程中难以将TiB2均匀的分布到哈氏合金粉体中，团聚的粉体可能导致新的裂纹的产生，因此，本专利技术优选TiB2粉体的含量范围为0.5-5％优选地，按质量百分数计，所述哈氏合金粉末由以下组分组成：22.2％Cr，19.1％Fe，8.9％Mo，2.0％Co，0.7％W，0.18％Si，0.17％Mn，0.13％C，余量为Ni及不可避免的杂质；所述TiB2粉体的含量为上述哈氏合金粉末质量的0.5-5.0％。选择上述的合金体系以及TiB2粉体的添加量时，成形后的合金中没有检测到热裂纹，仅有少量的孔洞生成，即有效消除了哈氏合金中的热裂纹，有助于合金强度和使役性能的显著提升。进一步地，所述TiB2粉体的粒径范围为50nm-10μm。通过向哈氏合金中添加TiB2粉末，能够有效抑制SLM成形哈氏合金中生成的热裂纹。TiB2粉体的粒径越小，消除热裂纹的效果越好，对提升成形构件强度的效果也越好。然后，粒径越小，粉体的比表面积越大，粉体越容易团聚，导致均匀混合哈氏与TiB2粉体的难度增大。反之，TiB2粉体的粒径越大，越容易与哈氏合金粉体均匀混合，但是会显著降低成形的哈氏合金的塑性，且TiB2与哈氏合金基体的界面结合会变差，易出现孔洞等缺陷。因此，本专利技术优选TiB2粉体的尺寸范围为50nm-10μm。进一步地，所述哈氏合金粉末的平均粒径为32.5μm。进一步地，所述TiB2粉体通过双离心高速混合技术制备而成。可选地，所述TiB2粉体的制备方法为：混合速度为1200rpm，混合时间为5分钟，为了避免高速混合过程中产生过多的热量导致设备温度过高，粉末在混合2.5分钟后，室温冷却10分钟，然后再采用相同速度混合2.5分钟。最后，由于本专利技术公开的所述适于消除激光选区熔化成形热裂纹的方法制备的哈氏合金，所述适于消除激光选区熔化成形热裂纹的哈氏合金具有良好的抗蚀性及热稳定性，在航空航天领域中的应用，例如在发动机燃烧室热端部件制造中的应用等。另外，成形的无裂纹哈氏高温合金在石油化工、核能源工业等行业有较广泛的应用，例如热交换器、波纹管补偿器、化工设备中均有哈氏高温合金的应用。与现有技术相比，本专利技术取得的有益效果是：试验显示，本专利技术将TiB2粉体引入哈氏合金粉末中后，在一些条件下能够将哈氏合金的屈服强度提升大约50％，而且得到的哈氏合金中没有检测到热裂纹，仅有少量的孔洞生成。这是因为TiB2粉体的存在能够有效消除热裂纹的消除，使得晶粒之间的结合力更强，另一方面，添加的TiB2粉体能够增强两相界面承载能力。上述因素均使得成形后的哈氏合金的力学强度得到了显著提升。附图说明构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图1为本专利技术第一实施例制备的哈氏合金粉末(HX)的SEM图。其中：a图为原始哈氏合金粉末，b图为添加了2％TiB2粉体的复合哈氏合金粉末。图2为本专利技术第一实施例成形后的哈氏合金的SEM图。其中：a图由原始哈氏合金粉末成形得到，b图由添加了2％TiB2粉体的复合哈氏合金粉末成形得到。图3为本专利技术第一实施例制备的两组哈氏合金的室温应力应变曲线图。图4为本专利技术第二实施例制备的添加了5％TiB2粉体的复合哈氏合金粉末。图5为本专利技术添加TiB2粉体能够消除热裂纹的原理图。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适于消除激光选区熔化成形热裂纹的方法，其特征在于，在采用激光选区熔化技术对哈氏合金粉末进行成形制备哈氏合金时，所述哈氏合金粉末中添加有TiB

【技术特征摘要】
1.一种适于消除激光选区熔化成形热裂纹的方法，其特征在于，在采用激光选区熔化技术对哈氏合金粉末进行成形制备哈氏合金时，所述哈氏合金粉末中添加有TiB2粉体。


2.如权利要求1所述的适于消除激光选区熔化成形热裂纹的方法，其特征在于，所述TiB2粉体的添加量不少于哈氏合金粉末质量的0.5％，优选为0.5-5.0％，更优选为2.0％。


3.如权利要求1所述的适于消除激光选区熔化成形热裂纹的方法，其特征在于，按质量百分数计，所述哈氏合金粉末组成包括以下组分：Cr22.5-23％，Fe17-20％，Mo8-10％，Co0.5-2.5％，W0.2-1.0％，Si<1.0％，Mn<1％，C0.05-0.15％，余量为Ni及不可避免的杂质。


4.如权利要求1所述的适于消除激光选区熔化成形热裂纹的方法，其特征在于，按质量百分数计，所述哈氏合金粉末由以下组分组成：22.2％Cr，19.1％Fe，8.9％Mo，2.0％Co，0.7％W，0.18％Si，0.17％Mn，0.13％C，余量为Ni及不可避免的杂质；所述TiB2粉体的含量为上述哈氏合金粉末质量的2.0％。


5.如权利要求1-4任一项所述的适于消除激光选区熔化成形热裂纹的方法，其特征在于，所述激光选区熔化技术的工艺参数为：激光功率100-200W，扫描速度300-1000mm/s，粉末层厚：20-50μm，扫描间距：70-130μm。


6.一种适于消除激光选区熔化成形热裂纹的哈氏合金，其特征在于，包括用于激光选区熔化成形的哈氏合金粉末，还包括不少于该哈氏合金粉末质量0.5％的TiB2粉体。


7.如权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩泉泉，杨圣钊，张振华，尹瀛月，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37