一种粒子强化的镍基高温合金及其增材制备方法技术

本发明专利技术公开了一种粒子强化的镍基高温合金及其增材制备方法。本发明专利技术中粒子强化的镍基高温合金按质量百分比计，包括，3.0

【技术实现步骤摘要】
一种粒子强化的镍基高温合金及其增材制备方法


[0001]本专利技术涉及激光增材制造镍基高温合金的方法，尤其是涉及一种粒子强化镍基高温合金及其增材制备方法。

技术介绍

[0002]随着科学技术的迅猛发展,各行业尤其是航空工业对高温合金的要求越来越高。目前，已经发展的镍基和铁基高温合金主要靠固溶强化及γ
’
相的沉淀强化来保证材料的高温强度。但是，当材料的工作温度达到1000℃以上，γ
’
相就不可避免的产生聚集、长大及溶解,从而大大降低材料的高温强度。而固溶强化元素均极大地降低抗氧化腐蚀性能；采取晶界强化加入稀土元素又受固溶度限制，一般不能＞0.1wt%，从而使镍基高温合金使用温度和强度受到很大限制。
[0003]粒子强化镍基高温合金可以克服上述限制，使用温度甚至可以达到1200℃，高温强度高、疲劳性能好、热稳定好。但使用传统方法制备粒子弥散强化镍基合金时，过度提高氧化物的含量导致氧化物颗粒弥散不均匀，而传统混合技术易造成细小的氧化物颗粒团聚，都不利于提高材料强度。因此，有必要开发新的粒子强化镍基高温合金制备工艺。
[0004]选区激光熔化（SLM）成形特有的冶金属性：足够高的形成温度、超高的温度梯度以及超快的熔化凝固速率、马兰戈尼对流等，有利于原位反应生成的弥散相高密度均匀析出，打破了常规冶金工艺所拥有有限的热力学条件，被认为是目前金属3D打印最具前景的领域。

技术实现思路

[0005]合金元素的种类和含量对镍基高温合金的组织和性能都有着十分显著的影响，本专利技术通过对合金的成分的调整，设计出可获得更高的性能的镍基高温合金。利用SLM的独特优势结合原位合成法制备氧化物弥散相Y2O3，提升Y2O3的含量且实现其细小均匀分布。又因为原位合成法生成的Y2O3是在金属基体内形核、自发长大，基体和增强体的相溶性良好, 界面结合强度较高，使合金具有更好的综合性能。
[0006]第一，本专利技术提供一种粒子强化的镍基高温合金，其特征在于：按质量百分比计，包括，3.0
‑
4.0%Cr；15.0
‑
20.0%Co；1.0
‑
1.5%Nb；2.0
‑
3.0%Ti；6.0
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6.5%Al；4.0
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6.0%W；1.0
‑
3.0%Mo；2.0
‑
3.5%Ta；0.2
‑
0.5%Hf；1.2
‑
1.5%Y2O3；余量的Ni。
[0007]进一步优选的，Al/(Ti+Ta+Nb)的质量比>1。
[0008]进一步优选的，Cr/Ti的质量比大于1.2。
[0009]进一步优选的，γ
’
相呈规则立方状，与γ基体保持共格关系；γ
’
相体积分数为50
‑
53%，平均尺寸为0.5μm。
[0010]第二，本专利技术还提供了上述技术方案所述的粒子强化的镍基高温合金的增材制备方法，包括以下步骤：1）准备合金粉末，所述合金粉末的成分满足所述镍基高温合金的成分要求；
2）采用激光选区熔化的增材制造方式沉积镍基高温合金；3）将增材制造得到的镍基高温合金进行热处理。
[0011]进一步优选的，在增材制造过程中，控制气氛中氧含量为100～300ppm。
[0012]进一步优选的，所述准备合金粉末，是按照所述镍基高温合金的成分要求配置除Y之外各合金元素的混合粉末，然后将混合粉末放入真空熔炼炉中进行熔炼并冷却后，采用等离子雾化法制成初步合金粉末，将初步合金粉末与纳米Y粉末置于三维运动混合机混合得到合金粉末。
[0013]进一步优选的，所述增材制造的光斑直径为95
‑
110μm，激光功率为190
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210W，扫描速度为960
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980mm/s，层厚为25
‑
30μm。
[0014]进一步优选的，所述热处理为连续式热处理，具体为，第一阶段采用常规升温速率升温至1290
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1295℃，第二阶段采用8
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10℃/h的升温速率升温至1310
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1315℃，第三阶段采用2
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2.5℃/h的升温速率升温至1320
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1325℃，第四阶段采用0.5
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1℃/h的升温速率升温至1325
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1330℃，随后保温5h后空冷至室温。
[0015]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：第一，本专利技术对于镍基高温合金的成分设计做了调整和改进，合金元素的种类和含量对镍基高温合金的组织和性能都有着十分显著的影响，通过对合金的成分的调整，可获得更高的性能；特别是采用Y与O的原位合成法生成的Y2O3是在金属基体内形核、自发长大，基体和增强体的相溶性良好, 界面结合强度较高，使合金具有更好的综合性能。
[0016]第二，粒子强化时，混合的均匀性是确保材料性能稳定的关键，本专利技术采用独特的三维运动混合机，确保了合金粉末与Y的混合均匀性，以及后续制备镍基高温合金中Y2O3的分散均匀性。
[0017]第三，本专利技术充分利用独特的激光增材制造理念以及高能激光快速熔化/凝固冶金机制，解决高度合金化后的镍基合金凝固后成分偏析严重问题，以及后期无法进行形变热处理问题。
[0018]第四，本专利技术采用独特的连续热处理工艺，通过温度选择和升温速率的控制，解决高度合金化后的枝晶偏析严重、γ
′
相尺寸不均匀不规则等问题。
附图说明
[0019]图1为本专利技术三维运动混合机的图片。
[0020]图2为本专利技术混合前后粉末状态变化示意图。
[0021]图3为本专利技术SLM原位合成Y2O3示意图。
[0022]图4为本专利技术热处理工艺的示意图。
[0023]图5为本专利技术的镍基高温合金显微组织放大倍数200倍的SEM照片。
[0024]图6为本专利技术的镍基高温合金显微组织放大倍数1000倍的SEM照片。
具体实施方式
[0025]以下将结合本专利技术实施例中的附图对本专利技术实施例中的技术方案进行描述。
[0026]本专利技术主要包括以下几个步骤：1.原材料的选择；2.粉末的制备与混合；3.构件成形；4.热处理；5.性能测试。
[0027]1.原材料的选择：该合金成分设计考虑以下因素：(1)考虑到γ
′
相的体积分数和反相畴界(APB)能，设计具有更高的γ
ʹ
相体积分数（约为50%~53%）的合金；(2)尽量避免η相和δ相析出，专利技术人发现满足Al/(Ti+Ta+Nb)的质量比>1时，对此更为有利；(3)限制Al的含量，使γ
ʹ
相的固溶温度控制在1155~1165℃，便于热处理；(4)Ta和Nb元素在Ni中的扩散速率较低，可减少γ
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种粒子强化的镍基高温合金，其特征在于：按质量百分比计，包括，3.0
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4.0%Cr；15.0
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20.0%Co；1.0
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1.5%Nb；2.0
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3.0%Ti；6.0
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6.5%Al；4.0
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6.0%W；1.0
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3.0%Mo；2.0
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3.5%Ta；0.2
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0.5%Hf；1.2
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1.5%Y2O3；余量的Ni。2.根据权利要求1所述的粒子强化的镍基高温合金，其特征在于，Al/(Ti+Ta+Nb)的质量比>1。3.根据权利要求1所述的粒子强化的镍基高温合金，其特征在于，Cr/Ti的质量比大于1.2。4.根据权利要求1所述的粒子强化的镍基高温合金，其特征在于，γ
’
相呈规则立方状，与γ基体保持共格关系；γ
’
相体积分数为50
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53%，平均尺寸为0.5μm。5.一种制备权利要求1
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4任意一项所述的粒子强化的镍基高温合金的增材制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1）准备合金粉末，所述合金粉末的成分满足所述镍基高温合金的成分要求；2）采用激光选区熔化的增材制造方式沉积镍基高温合金；3）...

【专利技术属性】
技术研发人员：请求不公布姓名，
申请(专利权)人：北京煜鼎增材制造研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：