粒子强化镍基高温合金的高能束熔丝沉积增材制备方法技术

本发明专利技术公开了一种粒子强化镍基高温合金的高能束熔丝沉积增材制备方法，以及与之相应的适用于增材制造的粒子强化镍基高温合金药芯焊丝的制备方法。本发明专利技术的方案具体为，一种镍基高温合金的高能束熔丝沉积增材制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：1）药芯焊丝成型；2）高能束熔丝沉积增材制备。本发明专利技术通过将Y2O3粉末与合金粉末、合金丝材混合制成药芯焊丝，通过激光熔丝增材制造技术，能够减少粉末在送粉器中或在送粉过程中的分层或团聚现象，将细小的Y2O3颗粒均匀地分散于镍基高温合金基体中，阻碍位错的运动而产生强化效果；尤其是本发明专利技术将药芯焊丝内部填充实心丝材代替部分粉末，更有利于送丝，成本更低，能够实现大尺寸构件的高效率成形。寸构件的高效率成形。寸构件的高效率成形。

【技术实现步骤摘要】
粒子强化镍基高温合金的高能束熔丝沉积增材制备方法


[0001]本专利技术涉及高能束制造镍基高温合金的方法，尤其是涉及一种镍基高温合金的高能束熔丝沉积增材制备方法。

技术介绍

[0002]镍基高温合金是能够在650℃~1200℃范围内使用，以镍为基体的奥氏体型合金，具有在使用温度下较高的强度，优良的抗氧化和抗腐蚀性，是使用最广泛的高温合金，已被应用于制造航空发动机及工业燃气轮机的高温热端零部件。镍元素具有稳定的FCC晶体结构，对合金元素有着强大的固溶能力，可以与其他元素充分的合金化。目前，工业化生产的铸造、变形镍基高温合金强化方式一般为固溶强化和析出沉淀强化，这两种强化方式对合金高温性能的提升已达到一个瓶颈，难以获得更大幅度提高，进而跟上航空发动机的发展脚步。氧化物弥散强化（ODS）镍基高温合金的诞生，使合金能够在更高的温度下长久使用，同时使合金具备更优良的高温性能，为镍基高温合金的深入发展开辟了一条新途径。
[0003]Y2O3粉末是一种硬质、稳定的稀土氧化物质点。将具有高热稳定性的Y2O3均匀弥散于镍合金基体中，通过弥散第二相质点阻碍位错运动和晶界滑移，能够降低金属原子的扩散速度，提高材料的强度及抗氧化性。虽然Y2O3弥散强化镍基高温合金具有优越的性能，但在成型过程中，容易存在纳米粒子聚结成粗团的现象，从而使增强相难以在整个基体中均匀分散，进而导致成型件机械性能差。
[0004]目前镍基高温合金仍以激光熔粉增材制造为主，其能实现制备的零部件结构相对复杂，精度也相对较高，但激光熔粉增材制备Y2O3粒子强化镍基合金仍主要是采用直接把粉末进行简单混合的常规做法，难以有效解决Y2O3容易团聚、混粉困难、在基体合金中均匀性差等问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于，相比于激光熔粉增材制备Y2O3强化镍基合金直接把粉末进行简单混合的常规做法，设计一种将Y2O3粉末与镍基合金丝材混合的药芯焊丝，利用高能束熔丝进行增材制备的方法，以降低混粉难度，减少纳米粉末团聚的现象，提高均匀性，为制造氧化物弥散强化镍基高温合金提供一种全新方法。
[0006]即提供一种粒子强化镍基高温合金的高能束熔丝沉积增材制备方法，以及与之相应的适用于增材制造的粒子强化镍基高温合金药芯焊丝的制备方法。
[0007]本专利技术的方案具体为，一种粒子强化镍基高温合金的高能束熔丝沉积增材制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：1）药芯焊丝成型；2）高能束熔丝沉积增材制备；其中，所述药芯焊丝成型包括，（1）根据所述药芯焊丝的成分要求，以及药芯、药皮的材料组成和比例关系，准备
材料；其中，药皮的材料为纯镍带，药芯的材料包括Y2O3粉末、合金粉末和合金丝材，所述合金粉末与所述合金丝材具有相同的成分，以质量百分比计，纯镍带50％、Y2O3粉末1％~2％、合金粉末40％，余下为合金丝材；（2）将Y2O3粉末与合金粉末置于高能球磨装置中混合均匀得到金属粉末；（3）将所述纯镍带轧弯成U形，随后利用送丝装置将所述合金丝材穿进U形镍槽内，随后使用履带式加粉装置将混合均匀的所述金属粉末填充镍槽内，随后使用合口辊逐步封闭焊丝的接口，直至焊丝的截面变成封闭的O形；（4）对焊丝进行多道次拉拔减径，最终制成直径为1.6mm的O形截面药芯焊丝；其中，所述高能束熔丝沉积是激光熔丝沉积、电子束熔丝沉积、电弧熔丝沉积的至少一种。
[0008]进一步优选的，所述药芯焊丝的成分为，按质量百分比计，包括，1.0~1.6%Al；5.0~6.0%Cr；4.0~5.0%Nb；2.0~3.0%Ti；1.5~2.0%Fe；2.0~3.0%W；1.0~2.0%Mo；1.0~2.0%Ta；1％~2％Y2O3，余量的Ni。
[0009]进一步优选的，所述合金粉末为球形粉末，粒径为50~100μm。
[0010]进一步优选的，所述多道次拉拔减径的每道次减径量为0.2mm。
[0011]进一步优选的，所述高能束熔丝沉积是激光熔丝沉积，所述激光为环列式排布，药芯焊丝垂直向下送给；总激光功率为2.0~6.0kW，扫描速度400~800mm/min，送丝速度0.9~2.1mm/min，光斑直径2.5mm，保护气流量9~35 L/min。
[0012]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：第一，本专利技术通过将Y2O3粉末与合金粉末、合金丝材混合制成药芯焊丝，通过激光熔丝增材制造技术，能够减少粉末在送粉器中或在送粉过程中的分层或团聚现象，将细小的Y2O3颗粒均匀地分散于镍基高温合金基体中，阻碍位错的运动而产生强化效果；尤其是本专利技术将药芯焊丝内部填充实心丝材代替部分粉末，更有利于送丝，成本更低，能够实现大尺寸构件的高效率成形。
[0013]第二，本专利技术对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。
附图说明
[0014]图1为Y2O3弥散粒子强化镍基高温合金的组织图片。
具体实施方式
[0015]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。
[0016]本专利技术主要包括以下几个步骤：1. 药芯焊丝成型；2. 高能束熔丝沉积增材制造镍基合金；1. 药芯焊丝成型过程:药芯焊丝包括药皮和药芯，其中药皮的材料为纯镍带，药芯的材料包括Y2O3粉末、合金粉末和合金丝材，合金粉末与合金丝材具有相同的成分，以质量百分比计，纯镍带50％、Y2O3粉末1％~2％、合金粉末40％，余下为合金丝材。合金成分设计如下表1所示。
[0017]表1合金药芯焊丝化学成分（wt%）
组成成分NiAlCrNbTiFeWMoTaY2O3杂质总量质量分数余量1.0~1.65.0~6.04.0~5.02.0~3.01.5~2.02.0~3.01.0~2.01.0~2.01.0~2.0＜0.01
本专利技术Y2O3弥散粒子强化镍基高温合金药芯焊丝的化学成分及其控制范围的理由具体如下：Al(铝)、Ti(钛)：金属元素Al是形成γ'~Ni3Al相的基本组成元素，加入高温合金中的Al，约有20%进入γ固溶体，起固溶强化作用。而80%的Al，与Ni形成Ni3Al，进行沉淀强化。Al对沉淀强化的作用首先是形成γ'相，而且随着Al含量增加，γ'相数量增加，从而使各种强化机制都增强。合金元素Ti加入镍基高温合金中，约10%进入γ固溶体，起一定固溶强化作用。约90%进入γ'相，Ti原子可以代替γ'~Ni3Al相中的Al原子，而形成γ'~Ni3(Al,Ti)。在一定Al含量条件下，随着 Ti含量增加，γ'相数量增加，引起合金室温和高温强度增加。Ti/Al之比增加，γ'相的反相畴界能提高。反相畴界能的提高，可强化切制机制引起的强化效应。但Ti/Al之比过高，如超过2.5，容易出现 Laves 相，该相是一种弱化相，在高温加工时导致初熔和形成孔洞等问题；同时还会使γ相和γ'相晶格常数差别太大，将加速γ'相长大，使γ'相在热力学上不稳定。本专利技术中，控制T本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种粒子强化镍基高温合金的高能束熔丝沉积增材制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：1）药芯焊丝成型；2）高能束熔丝沉积增材制备；其中，所述药芯焊丝成型包括，（1）根据所述药芯焊丝的成分要求，以及药芯、药皮的材料组成和比例关系，准备材料；其中，药皮的材料为纯镍带，药芯的材料包括Y2O3粉末、合金粉末和合金丝材，所述合金粉末与所述合金丝材具有相同的成分，以质量百分比计，纯镍带50％、Y2O3粉末1％~2％、合金粉末40％，余下为合金丝材；（2）将Y2O3粉末与合金粉末置于高能球磨装置中混合均匀得到金属粉末；（3）将所述纯镍带轧弯成U形，随后利用送丝装置将所述合金丝材穿进U形镍槽内，随后使用履带式加粉装置将混合均匀的所述金属粉末填充镍槽内，随后使用合口辊逐步封闭焊丝的接口，直至焊丝的截面变成封闭的O形；（4）对焊丝进行多道次拉拔减径，最终制成直径为1.6mm的O形截面药芯焊丝；其中，所述高能束熔丝沉积是激光熔丝沉积、电子束熔丝沉积、电弧熔丝沉积的至少一种。2.根据权利要求1所述的粒子强化镍基高温合金的高能束熔丝沉积增材制备方法，其特征在于，所述药芯...

【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：