CN109382510A

CN109382510A - 3d打印用高温合金金属粉末及其制备方法

Info

Publication number: CN109382510A
Application number: CN201811340647.3A
Authority: CN
Inventors: 尹荔松; 涂驰周; 马思琪; 蓝键
Original assignee: Wuyi University
Current assignee: Wuyi University
Priority date: 2018-11-12
Filing date: 2018-11-12
Publication date: 2019-02-26
Anticipated expiration: 2038-11-12
Also published as: CN109382510B

Abstract

本发明公开了3D打印用高温合金金属粉末，包括以质量百分比计算的以下组分：1‑1.5％Si、1‑1.2％Mn、0.3‑0.8％N、0.1‑0.2％V、1.2‑1.5％Nb、0.1‑0.2％B、0.5‑1％Ti、1‑1.5％Al、0.5‑1％Ta、1‑1.2％Nb、0.1‑0.3％W、0.1‑0.2％Mo、1‑1.5％Cr、1‑1.2％Ru、0.5‑1％Re,其余是通过真空感应炉精炼的铸造再生母合金棒料为原料的母合金粉末原料；所形成的高温合金金属粉末为高球形度，其氧含量小于150ppm，粒径为10‑30μm。该高温合金金属粉末具有高质量和高纯度的优点，陶瓷夹杂物含量低，能充分满足3D打印要求。

Description

3D打印用高温合金金属粉末及其制备方法

技术领域

本发明涉及冶炼金属粉末材料的技术领域，尤其涉及3D打印用高温合金金属粉末及其制备方法。

背景技术

基于3D打印技术为世界产业技术发展的新趋势，改造传统意义上的中国制造，3D打印正是这样的尖端技术之一。3D打印用高温合金金属粉末作为关键零件(如汽车、航空发动机部件等)3D打印最重要的原材料，但国内3D打印耗材金属粉末生产难度大、产量小、产品性能低。

目前，现有的3D打印金属粉末要求球形度高，粒度小，含氧量低，但现有的制备方法却不能制得符合要求的金属粉末，主要原因在于传统的制粉工艺存在一定的缺陷。(1)，在制粉所采用的原材料配料方法中需要手动配料，易造成各元素的成分偏差大，氧和夹杂物含量高等问题，最终制得的粉末质量很不稳定；(2)，高温合金材料由于合金含量高易氧化、钢水流动性差因而造成制粉难度较大，不能有效控制粉末的粒度；(3)，现有的制粉工艺当采用水雾化法生产粉末时，水雾化法生产的粉末球形度差、氧含量高、质量较差；(4)，现有的制粉工艺当采用氩气雾化时，不是全部在真空环境中进行，合金粉末在制备过程与坩埚、漏嘴等陶瓷件容易接触，因此制备的金属粉末陶瓷夹杂物较高(20～30个/100g粉末)，致使金属合金粉末的性能不稳定，且由于采用自由落体式雾化喷嘴，粉末粒度难以小于45μm；(5)在合金粉末的热处理阶段，在γ’相溶解温度以上进行固溶处理，得到粗晶组织的金属粉末，其蠕变强度高和裂纹扩展速率低。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的缺点，提供一种3D打印用高温合金金属粉末及其制备方法，该3D打印用高温合金金属粉末的制备方法通过合金微量元素与母合金原料成分的控制、真空气雾破碎控制制备和真空处理等制得球形度高、性能优良、氧含量≤150ppm、粒度为10-30μm的高温合金金属粉末，该高温合金金属粉末的质量稳定，具有高质量和高纯度的优点，陶瓷夹杂物含量低，各项性能指标好，能充分满足3D打印要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：3D打印用高温合金金属粉末，包括以质量百分比计算的以下组分：1-1.5％Si、1-1.2％Mn、0.3-0.8％N、0.1-0.2％V、1.2-1.5％Nb、0.1-0.2％B、0.5-1％Ti、1-1.5％Al、0.5-1％Ta、1-1.2％Nb、0.1-0.3％W、0.1-0.2％Mo、1-1.5％Cr、1-1.2％Ru、0.5-1％Re,其余是通过真空感应炉精炼的铸造再生母合金棒料为原料的母合金粉末原料；所形成的高温合金金属粉末为高球形度，其氧含量小于150ppm，粒径为10-30μm。

采用的制粉原料是通过真空感应炉精炼铸造再生母合金棒料而制得的母合金粉末，使母合金粉末的各元素成分精确可控，性能优良，氧含量、各种微量元素和夹杂物含量都很低，操作管理方便，质量稳定，对于制取高质量、高纯度的3D打印金属粉末至关重要。传统制粉工艺需要在制粉过程中手动配料，易造成元素成分偏差大，氧和夹杂物含量高等问题，最终制得的粉末质量很不稳定的缺陷，相比国内传统的自配料制粉的方法，质量更稳定，各项性能指标更好。

通过真空感应炉精炼铸造再生母合金棒料而制得的母合金粉末的室温性能：抗拉强度σb≥1200MPa,屈服强度σ0.2≥950MPa,延伸率δ≥10％,断面收缩率ψ≥10％。母合金粉末的高温性能：(1)700℃性能：抗拉强度σb≥1000MPa,屈服强度σ0.2≥800MPa,延伸率δ≥11％,断面收缩率ψ≥11％；(2)900℃性能：抗拉强度σb≥800MPa,屈服强度σ0.2≥650MPa,延伸率δ≥18％,断面收缩率ψ≥18％；(3)700℃/725MPa高温蠕变持久性能：持久寿命大于130小时，持久塑性(δ％)高于10％；(4)900℃/230MPa高温蠕变持久性能：持久寿命大于200小时，持久塑性(δ％)高于12％。

在高温合金金属粉末中γ’相是最重要的沉淀强化相，Al、Ti、Ta、Nb等金属元素的加入量，使高温合金金属粉末中γ’相含量达到70％左右。高温合金金属粉末在高温环境下服役过程中γ’相易粗大，导致高温强度下降，而加入Ta、W、Mo等金属元素能稳定γ’相。加入的Cr、Al、Si和稀土的协同作用，能改善合金抗高温环境氧化和腐蚀性能。Ru、Re、W、Mo、Ta金属元素的加入量，能提高合金的持久抗力。Al、Ti、Ta、Nb等的加入量，使γ/γ’相晶格错配度在高温时尽可能小或成负晶格错配度，以抑制γ’强化相的粗大。

进一步的，该3D打印用高温合金金属粉末包括以质量百分比计算的以下组分：1％Si、1％Mn、0.3％N、0.1％V、1.2％Nb、0.1％B、0.5％Ti、1％Al、0.5％Ta、1％Nb、0.1％W、0.1％Mo、1％Cr、1％Ru、0.5％Re,其余是母合金粉末原料。

或者是，该3D打印用高温合金金属粉末包括以质量百分比计算的以下组分：1.5％Si、1.2％Mn、0.8％N、0.2％V、1.5％Nb、0.2％B、1％Ti、1.5％Al、1％Ta、1.2％Nb、0.3％W、0.2％Mo、1.5％Cr、1.2％Ru、1％Re,其余是母合金粉末原料。

另外，本发明还涉及3D打印用高温合金金属粉末的制备方法，包括全程在真空环境中操作的以下步骤：

(1)准备铸造再生母合金棒料及各金属元素Si、Mn、N、V、Nb、B、Ti、Al、Ta、Nb、W、Mo、Cr、Ru、Re，采用真空感应熔炼炉熔炼铸造再生母合金棒料及各金属元素，在熔炼过程中采用真空精炼来去除高温合金液流中的气体及夹杂物；

(2)通过电渣重熔和真空自耗熔炼进一步去除高温合金液流中的气体及夹杂物，达到精炼的效果；

(3)采用真空氩气雾化方法在3.5Mpa高压条件下以高速氩气流将高温合金液流直接击碎成金属粉末并在氩气保护下筛分，金属粉末经静电分离法去除陶瓷夹杂，在真空下加热300℃，去除金属粉末表面吸附气体，然后在真空下将金属粉末装入容器封装；

(4)把装入容器封装的金属粉末进行热处理，在低于γ’相溶解温度下进行固溶处理，得到细晶组织、屈服强度和疲劳性能好、氧含量小于150ppm、高球形度、粒径为10-30μm的高温合金金属粉末。

该制备方法全程在真空环境下进行，包括熔炼和制粉等，形成粉末粒度可控、球形度高，性能优良。该步骤(1)采用真空感应熔炼炉熔炼铸造再生母合金棒料和各金属元素得到母合金粉末，各成分精确可控，杂质物含量极低，且解决了高温合金材料由于合金含量高易氧化、钢水流动性差因而制粉难度较大的问题；对比传统自配料方法，质量更稳定。该步骤(3)的真空氩气雾化方法控制钢水流经中间包导流嘴的温度、时间、流量等，优化制粉工艺，雾化效率高，提高了制粉效率，降低粉末粒度，改善粉末球形度和表面光滑度，提高粉末流动性，使生产出的粉末用于3D打印性能优良；钢水经漏嘴流出后，真空氩气雾化方法采用高压(大于3.5Mpa)氩气气体雾化破碎办法，有效的控制粉末的粒度，产出粒度为10-30μm的金属粉末；相比之下水雾化法生产的粉末球形度差、氧含量高、质量较差；与传统的氩气雾化相比之下，传统的氩气雾化形成的粉末粒度粗、粒度小于45μm粉末含量低于20％(采用自由落体式雾化喷嘴)，制粉过程中带入较多陶瓷夹杂物(20～30个/100g粉末)。

进一步的，所述步骤(1)中的真空感应熔炼炉的精炼的真空度为2×10-3Pa，精炼时间不小于15分钟，熔炼的最高温度为1650℃。精确控制熔炼温度，防止坩埚对合金的污染。

综上所述，本发明的3D打印用高温合金金属粉末的制备方法通过合金微量元素与母合金原料成分的控制、真空气雾破碎控制制备和真空处理等制得球形度高、性能优良、氧含量≤150ppm、粒度为10-30μm的高温合金金属粉末，该高温合金金属粉末的质量稳定，具有高质量和高纯度的优点，陶瓷夹杂物含量低，各项性能指标好，能充分满足3D打印要求。

具体实施方式

实施例1

本实施例1所描述的3D打印用高温合金金属粉末，包括以质量百分比计算的以下组分：1％Si、1％Mn、0.3％N、0.1％V、1.2％Nb、0.1％B、0.5％Ti、1％Al、0.5％Ta、1％Nb、0.1％W、0.1％Mo、1％Cr、1％Ru、0.5％Re,其余是通过真空感应炉精炼的铸造再生母合金棒料为原料的母合金粉末原料；所形成的高温合金金属粉末为高球形度，其氧含量小于150ppm，粒径为10-30μm。

另外，本实施例1还涉及3D打印用高温合金金属粉末的制备方法，包括全程在真空环境中操作的以下步骤：

在本实施例1中，该步骤(1)中的真空感应熔炼炉的精炼的真空度为2×10-3Pa，精炼时间不小于15分钟，熔炼的最高温度为1650℃。精确控制熔炼温度，防止坩埚对合金的污染。

实施例2

本实施例2是在实施例1的基础上进行改变，主要是3D打印用高温合金金属粉末的各组分含量，具体如下：

该实施例2的3D打印用高温合金金属粉末包括以质量百分比计算的以下组分：1.5％Si、1.2％Mn、0.8％N、0.2％V、1.5％Nb、0.2％B、1％Ti、1.5％Al、1％Ta、1.2％Nb、0.3％W、0.2％Mo、1.5％Cr、1.2％Ru、1％Re,其余是通过真空感应炉精炼的铸造再生母合金棒料为原料的母合金粉末原料；所形成的高温合金金属粉末为高球形度，其氧含量小于150ppm，粒径为10-30μm。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术方案作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims

1.3D打印用高温合金金属粉末，其特征在于，包括以质量百分比计算的以下组分：1-1.5％Si、1-1.2％Mn、0.3-0.8％N、0.1-0.2％V、1.2-1.5％Nb、0.1-0.2％B、0.5-1％Ti、1-1.5％Al、0.5-1％Ta、1-1.2％Nb、0.1-0.3％W、0.1-0.2％Mo、1-1.5％Cr、1-1.2％Ru、0.5-1％Re,其余是通过真空感应炉精炼的铸造再生母合金棒料为原料的母合金粉末原料；所形成的高温合金金属粉末为高球形度，其氧含量小于150ppm，粒径为10-30μm。

2.根据权利要求1所述的3D打印用高温合金金属粉末，其特征在于，包括以质量百分比计算的以下组分：1％Si、1％Mn、0.3％N、0.1％V、1.2％Nb、0.1％B、0.5％Ti、1％Al、0.5％Ta、1％Nb、0.1％W、0.1％Mo、1％Cr、1％Ru、0.5％Re,其余是母合金粉末原料。

3.根据权利要求1所述的3D打印用高温合金金属粉末，其特征在于，包括以质量百分比计算的以下组分：1.5％Si、1.2％Mn、0.8％N、0.2％V、1.5％Nb、0.2％B、1％Ti、1.5％Al、1％Ta、1.2％Nb、0.3％W、0.2％Mo、1.5％Cr、1.2％Ru、1％Re,其余是母合金粉末原料。

4.根据权利要求1所述3D打印用高温合金金属粉末的制备方法，其特征在于，包括全程在真空环境中操作的以下步骤：

5.根据权利要求4所述3D打印用高温合金金属粉末的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的真空感应熔炼炉的精炼的真空度为2×10-3Pa，精炼时间不小于15分钟，熔炼的最高温度为1650℃。