一种镍基合金及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种镍基合金及其制备方法和应用。该镍基合金的制备方法包括如下步骤：对镍基合金原料依次进行激光选区熔化成形处理和热处理，即可；激光选区熔化成形中，激光功率为315

【技术实现步骤摘要】
一种镍基合金及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及金属增材制造及高温合金
，具体涉及一种镍基合金及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]镍基高温合金具有良好的高温强度、优异的抗疲劳和抗蠕变性能，已成为现代国防建设不可替代的关键材料。GTD222合金(国内牌号为K4222)是一种Ni
‑
Cr基沉淀硬化型镍基高温合金，使用温度1000℃以下。该合金具有中等的高温强度、良好的抗蠕变和抗疲劳性能，并且在高温下具有良好的组织稳定性，适合于制作在1000℃以下工作的燃气涡轮导向叶片以及其他长期服役的静止件。
[0003]随着先进航空发动机和燃气轮机技术的发展，热端零部件的结构设计越来越复杂，而传统制造工艺因加工工艺的限制无法制造出特别复杂的零件结构而不得不牺牲部分结构功能性，严重制约了航空发动机和燃气轮机的发展。目前，激光选区熔化成形技术(Select Laser Melting，简称SLM)利用高能激光束对粉末床预置粉末逐层分区扫描熔化，实现零件由三维数模直接制造出近终形的零件，具有成形约束小、精度高、表面粗糙度低等优点，已逐步应用在复杂外形或内部型腔结构零部件制造领域。
[0004]激光选区熔化成形过程与传统的锻造、铸造等制造过程存在显著区别，主要体现在以下几个方面：
①
激光选区熔化成形过程熔池小(100～300μm)，熔池温度梯度大(105
‑
106K/s)、凝固速度极快；
②
熔池的温度梯度大致沿沉积方向，当激光束扫描粉末层时重熔了上一层已经凝固的柱状晶的顶端，柱状晶未熔部分成为该层定向凝固的晶核，使得前层的原始柱状晶粒沿着沉积方向继续外延生长；
③
成形过程中，层层堆积导致了熔池快速反复受热，残余应力大。以上特点促使SLM成形组织与传统铸锻件的微观结构存在较大差异。
[0005]然而，GTD222合金的性能主要取决于合金的显微组织，合金的显微组织与合金的成分、制造方式、热处理参数息息相关。激光选区熔化成形独特的工艺过程，意味着适用于铸造GTD222合金的热处理制度不一定适合于SLM制造的GTD222合金。
[0006]为保证SLM成形GTD222合金具有良好的高温力学性能，须建立与激光选区熔化成形工艺匹配的成形工艺及热处理制度。文献(R.Wang,G.Zhu,Q.Tan,W.Zhou,C.Yang,D.Wang,A.Dong,D.Shu,L.Zhang,B.Sun,Effect of high temperature aging on microstructures and tensile properties of a selective laser melted GTD222 superalloy,Journal of Alloys and Compounds(2020),doi:https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157226.)给出了一种GTD222合金SLM成形工艺及热处理方法，但得到的GTD222合金在室温条件下强度高但塑性差，或者，塑性好但强度差，无法实现同时具备较佳的强度和塑性，综合力学性能不佳。
[0007]GTD222合金是用于制造1000℃以下工作航空发动机及地面燃气轮机部件的重要材料，其在1000℃条件下的力学性能，对部件的耐用性极为关键，提升其力学性能有重要工程意义。激光选区熔化成形独特的工艺过程，显著迥异于传统的铸造GTD222合金过程，需开
发针对激光选区成形工艺特点的GTD222成形工艺及热处理制度。另外，GTD222合金中导致裂纹产生的元素Al+Ti+Ta含量在4.2
‑
4.8wt％范围内时，增材制造过程裂纹产生倾向大，易产生降低力学性能的缺陷。通过检索国内外相关专利和文献，如何提高激光选区熔化成形GTD222合金力学性能的方法很少提及或者部分方法提出SLM成形工艺及热处理方法不能获得高强高韧的GTD222合金。

技术实现思路

[0008]本方案所要解决的技术问题在于克服现有技术中镍基合金高温力学性能和高温持久性能不佳的缺陷，而提供的一种镍基合金及其制备方法和应用。本专利技术中镍基合金的制备方法通过优化激光选区熔化成形和热处理步骤中的工艺参数，抑制激光选区熔化成形GTD222合金缺陷产生并提升激光选区熔化成形GTD222合金的强度和塑性。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0010]本专利技术提供的技术方案之一为：一种镍基合金的制备方法，其包括如下步骤：对镍基合金原料依次进行激光选区熔化成形处理和热处理，即可；
[0011]所述激光选区熔化成形中，激光功率为315
‑
325W；光斑直径为0.1mm；
[0012]所述热处理中，加热温度为790～810℃；保持所述加热温度的时间为8h
±
15min；
[0013]保持所述加热温度8h
±
15min后，进行冷却；所述冷却的降温速率大于14℃/min；所述冷却的温度为528～548℃。
[0014]本专利技术中，所述镍基合金原料包括C、Cr、Co、Nb、Ti、Al、Ta、Ni和B。
[0015]所述C的含量可为0.07～0.13％；优选为0.10％；百分比为C占所述激光选区熔化成形采用的镍基合金原料的总质量的质量百分比。
[0016]所述Cr的含量可为21.50～23.50％；优选为22.3％；百分比为Cr占所述激光选区熔化成形采用的镍基合金原料的总质量的质量百分比。
[0017]所述Co的含量可为18.0～20.0％；优选为18.82％；百分比为Co占所述激光选区熔化成形采用的镍基合金原料的总质量的质量百分比。
[0018]所述Nb的含量可为0.6～1.0％；优选为0.8％；百分比为Nb占所述激光选区熔化成形采用的镍基合金原料的总质量的质量百分比。
[0019]所述Ti的含量可为2.0～2.5％；优选为2.32％；百分比为Ti占所述激光选区熔化成形采用的镍基合金原料的总质量的质量百分比。
[0020]所述Al的含量可为0.9～1.5％；优选为1.18％；百分比为Al占所述激光选区熔化成形采用的镍基合金原料的总质量的质量百分比。
[0021]所述Ta的含量可为0.7～1.3％；优选为0.99％；百分比为Ta占所述激光选区熔化成形采用的镍基合金原料的总质量的质量百分比。
[0022]所述B的含量可为0.002～0.013％；优选为0.003％；百分比为B占所述激光选区熔化成形采用的镍基合金原料的总质量的质量百分比。
[0023]所述Ni的含量为余量；百分比为Ni占所述激光选区熔化成形采用的镍基合金原料的总质量的质量百分比。
[0024]其中，所述“余量”并不排除所述镍基合金原料中还可包括的除本专利技术所提及的各元素外的其他元素，例如Mn、Si、P或S。当所述镍基合金原料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种镍基合金的制备方法，其包括如下步骤：对镍基合金原料依次进行激光选区熔化成形处理和热处理，即可；所述激光选区熔化成形中，激光功率为315
‑
325W；光斑直径为0.1mm；所述热处理中，加热温度为790～810℃；保持所述加热温度的时间为8h
±
15min；保持所述加热温度8h
±
15min后，进行冷却；所述冷却的降温速率大于14℃/min；所述冷却的温度为528～548℃。2.如权利要求1所述的镍基合金的制备方法，其特征在于，所述镍基合金原料包括C、Cr、Co、Nb、Ti、Al、Ta、Ni和B；优选地，所述C的含量为0.07～0.13％；优选为0.10％；优选地，所述Cr的含量为21.50～23.50％；优选为22.3％；优选地，所述Co的含量为18.0～20.0％；优选为18.82％；优选地，所述Nb的含量为0.6～1.0％；优选为0.8％；优选地，所述Ti的含量为2.0～2.5％；优选为2.32％；优选地，所述Al的含量为0.9～1.5％；优选为1.18％；优选地，所述Ta的含量为0.7～1.3％；优选为0.99％；优选地，所述B的含量为0.002～0.013％；优选为0.003％；优选地，所述Ni的含量为余量；百分比为各组分占所述激光选区熔化成形采用的镍基合金原料的总质量的质量百分比。3.如权利要求1或2所述的镍基合金的制备方法，其特征在于，所述镍基合金原料的粒径分布范围为15～45μm；其中，优选地，D10为15～25μm，D50为26～35μm，D90为40～60μ...

【专利技术属性】
技术研发人员：石磊，雷力明，何艳丽，王威，常斐，
申请(专利权)人：中国航发商用航空发动机有限责任公司，
类型：发明
国别省市：