一种激光选区熔化用石墨烯增强镍基高温合金粉末及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种激光选区熔化用石墨烯增强镍基高温合金粉末及其制备方法。具体公开了按质量百分比计，激光选区熔化用石墨烯增强镍基高温合金粉末成分包括：Cr 14～17％，Mo 8～10％，Mn0.3～0.6％，Zr 0.03～0.08％，Be 0.007～0.01％，B 1～2％，石墨烯0.3～0.5％，余量为Ni。本发明专利技术通过合理配比原料，以及对原料进行球磨、预时效处理、烧结、轧制和喷雾处理，制备出适用于激光选区熔化的石墨烯增强镍基高温合金粉末。本发明专利技术公开的激光选区熔化用石墨烯增强镍基高温合金粉末制备方法简单，利用其制备的铸件致密度高，力学性能优异。力学性能优异。

【技术实现步骤摘要】
一种激光选区熔化用石墨烯增强镍基高温合金粉末及其制备方法


[0001]本专利技术涉及合金材料领域，特别涉及一种激光选区熔化用石墨烯增强镍基高温合金粉末及其制备方法。

技术介绍

[0002]镍基高温合金具有良好的抗疲劳、高温蠕变性能、抗高温氧化性能以及优异的高温强度和组织稳定性，被广泛的运用在航空发动机的热端部件上，比如：涡轮叶片、涡轮盘以及导向叶片等。
[0003]激光选区熔化(SLM)是金属材料增材制造中的一种主要技术途径。该技术选用激光作为能量源，按照三维CAD切片模型中规划好的路径在金属粉末床层进行逐层扫描，扫描过的金属粉末通过熔化、凝固从而达到冶金结合的效果，最终获得模型所设计的金属零件，特别适用于制造难加工的高温合金零件。
[0004]由于SLM成形工艺具有极高的温度梯度和冷却速度，容易形成偏离平衡状态的超细显微组织，成形件往往强度较高，但是韧性却比较低；同时，由于非平衡凝固，存在各向异性和冶金缺陷，严重影响材料的综合性能；不仅如此，金属熔化后形成大量彼此隔离的金属球，破坏成形金属表面质量，严重时阻碍铺粉辊的运动，使成形过程无法继续进行下去(球化现象)；成型件铸件的孔隙、裂纹也严重影响零件的性能。以上各种问题成为制约SLM工艺在航空航天领域的广泛应用的技术瓶颈。因此，提供一种适用于激光选区的镍基高温合金材料，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种激光选区熔化用石墨烯增强镍基高温合金粉末及其制备方法，以解决镍基高温合金粉末用于激光选区熔化时存在的球化现象，以及铸件韧性差，存在空隙、裂纹等问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：
[0007]本专利技术的技术方案之一：提供一种激光选区熔化用石墨烯增强镍基高温合金粉末，按质量百分比计，成分包括：Cr 14～17％，Mo 8～10％，Mn 0.3～0.6％，Zr 0.03～0.08％，Be 0.007～0.01％，B 1～2％，石墨烯0.3～0.5％，余量为Ni。
[0008]优选的，上述激光选区熔化用石墨烯增强镍基高温合金粉末，按质量百分比计，成分包括：Cr 15％，Mo 9％，Mn 0.5％，Zr 0.06％，Be 0.01％，B 2％，石墨烯0.5％，余量为Ni。
[0009]本专利技术技术方案之二：提供一种上述激光选区熔化用石墨烯增强镍基高温合金粉末的制备方法，包括以下步骤：
[0010](1)按成分配比称取所需金属元素粉末、硼粉末及石墨烯片，进行球磨混合；
[0011](2)先将球磨后原料进行预时效处理，然后进行等离子烧结；
[0012](3)将烧结后所得材料切割为合金块，进行轧制；
[0013](4)将轧制后的合金块熔化，合金熔体经导管流出，自由下落，经高压氮气雾化器冲击破碎成细小液滴，凝固成型后形成金属粉末，过筛，制得激光选区熔化用石墨烯增强镍基高温合金粉末。
[0014]优选的，步骤(1)中所述金属粉末的粒径为30～50nm；所述硼粉末的粒径为30～50nm；所述石墨烯片的厚度为8～10nm，直径为10～20nm。
[0015]优选的，步骤(1)中所述球磨的球料比为(2～3):1，选用的磨球为氧化锆，球磨时间为2～3h。
[0016]优选的，步骤(2)中所述预时效处理的温度为180～250℃，时间为1～2h；所述等离子烧结的温度为1450～1550℃，升温速率为20～30℃/min，保温时间为20～25min。
[0017]优选的，步骤(3)中所述轧制的压下量为15～20％。
[0018]优选的，步骤(4)中所述高压氮气雾化器冲击的压强为10～12Mpa；所述过筛为过200～300目筛。
[0019]本专利技术技术方案之三：提供一种利用激光选区熔化制备石墨烯增强镍基高温合金零件的方法，包括以下步骤：
[0020](1)利用切片软件对零件的CAD模型进行切片处理，获得每一层的二维数据，然后将数据传输到SLM设备；
[0021](2)对基板进行预热，然后铺上一层上述激光选区熔化用石墨烯增强镍基高温合金粉末；
[0022](3)激光扫描，使之熔化凝固成型；
[0023](4)成形缸活塞下降一个粉层厚度，铺粉装置均匀铺上第二层粉末，激光扫描新铺金属粉末层，扫描方向为上一次扫描方向顺时针旋转60
°
；
[0024](5)重复步骤(4)，直至整个程序结束，整个扫描过程中维持基板的预热温度，制得石墨烯增强镍基高温合金零件。
[0025]优选的，所述激光扫描的激光光斑直径为0.1mm，扫描功率为450～500W，扫描速率为1200～1400mm/s；所述基板的预热温度为300～350℃；所述激光选区熔化用石墨烯增强镍基高温合金粉末每次铺装的厚度为0.05mm。
[0026]由于SLM成形工艺具有极高的温度梯度和冷却速度，本专利技术采用了预热基板的方法减小温度梯度，改善铸件韧性低的问题；同时，在本专利技术所述的预热温度下，还可消除由于过高的温度梯度产生的残余应力，避免铸件产生裂纹。针对本专利技术的扫描功率，过低则不利于石墨烯增强镍基高温合金熔化，过高则会加大温度梯度，对铸件产生不利影响；本专利技术提供的扫描速率较高，原因在于过低的扫描速度会增加合金件成型过程中的内部应力，同样会对铸件产生不利影响。
[0027]本专利技术的有益技术效果如下：
[0028]本专利技术通过合理配比各金属元素用量及在合金中加入B和石墨烯，经预时效处理、烧结、轧制和雾化处理，制备适用于激光选区熔化的石墨烯增强镍基高温合金粉末。
[0029]其中，Cr的加入能显著提高镍基合金的强度、硬度和耐磨性，还能与部分石墨烯反应生成碳化物，进一步提升材料的硬度和耐磨性；
[0030]Mo的加入能够细化镍基高温合金的晶粒，提高镍基合金的承温能力，并在高温时
保持足够的强度和抗蠕变能力；
[0031]Zr具有非常低的热中子吸收截面，高硬度，延展性和耐腐蚀性，加入到镍基合金中，可以提高镍基合金材料的机械性能和耐腐蚀性；
[0032]Mn的加入可以析出弥散相，弥散相通过钉扎晶界促进细化晶粒，而且可作为强化相的形核核心，并有效增加镍基高温合金的流动性，进而增加合金的成型性，有效增加镍基高温合金的致密度及避免铸件裂纹的产生；
[0033]Be的加入可以改善铸件表面质量，使铸件得到细小的等轴晶，特别是减少铸件冷隔，消除了的毛晶和柱状晶，能有效地克服铸造裂纹，改善铸件外观；
[0034]B元素的大量加入能够扩大石墨烯增强镍基高温合金粉末的固液相线温度区，在用于激光选区熔化时，可以降低合金粉末的熔化温度，减小温度梯度，提高铸件性能；
[0035]石墨烯的加入能够提高镍基高温合金的结晶速度，从而减小晶界偏析，提升镍基高温合金的力学性能，不仅如此，石墨烯还能钉扎镍基高温合金产生的可动位错，避免激光选区熔化时产生的球化现象；
[0036]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光选区熔化用石墨烯增强镍基高温合金粉末，其特征在于，按质量百分比计，成分包括：Cr14～17％，Mo8～10％，Mn0.3～0.6％，Zr0.03～0.08％，Be0.007～0.01％，B1～2％，石墨烯0.3～0.5％，余量为Ni。2.根据权利要求1所述激光选区熔化用石墨烯增强镍基高温合金粉末，其特征在于，按质量百分比计，成分包括：Cr15％，Mo9％，Mn0.5％，Zr0.06％，Be0.01％，B2％，石墨烯0.5％，余量为Ni。3.一种权利要求1或2所述激光选区熔化用石墨烯增强镍基高温合金粉末的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)按成分配比称取所需金属元素粉末、硼粉末及石墨烯片，进行球磨混合；(2)先将球磨后原料进行预时效处理，然后进行等离子烧结；(3)将烧结后所得材料切割为合金块，进行轧制；(4)将轧制后的合金块熔化，合金熔体经导管流出，自由下落，经高压氮气雾化器冲击破碎成细小液滴，凝固成型后形成金属粉末，过筛，制得激光选区熔化用石墨烯增强镍基高温合金粉末。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述金属粉末的粒径为30～50nm；所述硼粉末的粒径为30～50nm；所述石墨烯片的厚度为8～10nm，直径为10～20nm。5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述球磨的球料比为(2～3):1，选用的磨球为氧化锆，球磨时间为2～3h。6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述预时效处理...

【专利技术属性】
技术研发人员：张育斌，张舜德，王华丰，张晓军，朱火美，
申请(专利权)人：泉州信息工程学院，
类型：发明
国别省市：