CN107779673A - 一种激光3d打印高硬度镍基合金专用合金粉末 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及新材料领域，尤其涉及一种激光3D打印高硬度镍基合金专用合金粉末，包括下述重量百分数的原料：0.9—1.3%的碳（C），2.0—2.5%的钨（W），20.0—25.0%的铬（Cr），1.2—1.6%的钛（Ti），2.0—2.5%的钼（Mo），1.0—1.5%的钒（V），0.15—0.7%的铌（Nb），余量为镍（Ni），其重量之和为100%；本发明的目的是提供一种激光3D打印高硬度镍基合金专用合金粉末，对粉末的成分进行调整，添加较高含量的碳元素，既能够确保激光3D打印出来的零件无裂纹，又能够提高零件的硬度和耐磨性，极大的提高了激光3D打印出来的零件品质。
Description
技术领域
本发明涉及新材料领域，尤其涉及一种激光3D打印高硬度镍基合金专用合金粉末。
背景技术
激光3D打印技术是一种先进制造技术，该技术通过高功率激光熔化原料粉末或丝材，在沉积基板的配合运动下，逐点逐层堆积材料，通过不断生长制备出零件；国内外金属3D打印机采用的金属粉末一般有：不锈钢、钛合金、铝合金、镍基合金和钴铬合金等；激光3D打印镍基合金零件因具有良好的耐腐蚀﹑耐氧化和价格适中等优点具有广阔用途；目前用于激光3D打印的镍基合金材料主要有：IN718、IN625、80NiCr和C276等；采用现有的合金粉末作为原料用于激光3D打印镍基合金存在一定的缺陷：（1）合金零件硬度不高，基本在45HRC以下，导致零件耐磨性不高；（2）镍基合金材料一般只能在完全充氩环境条件下使用，不能在空气环境或局部充氩环境条件下使用，否则就会有较多氧化物夹杂，影响零件性能（如塑性﹑抗拉强度和疲劳性能等），这就极大限制了3D打印零件的尺寸。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光3D打印高硬度镍基合金专用合金粉末，对粉末的成分进行调整，添加较高含量的碳元素，既能够确保激光3D打印出来的零件无裂纹，又能够提高零件的硬度和耐磨性，极大的提高了激光3D打印出来的零件品质。
为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种激光3D打印高硬度镍基合金专用合金粉末，包括下述重量百分数的原料：0.9—1.3%的碳（C），2.0—2.5%的钨（W），20.0—25.0%的铬（Cr），1.2—1.6%的钛（Ti），2.0—2.5%的钼（Mo），1.0—1.5%的钒（V），0.15—0.7%的铌（Nb），余量为镍（Ni），其重量之和为100%。
优选的，包括下述重量百分数的原料：1.1%的碳（C），2.2%的钨（W），22.5%的铬（Cr），1.6%的钛（Ti），2.2%的钼（Mo），1.2%的钒（V），0.4%的铌（Nb），余量为镍（Ni），其重量之和为100%。
优选的，还包括下述重量百分数的原料：1.4—1.8%的硅（Si），0.3—0.7%的硼（B）。
优选的，硅的重量百分数为1.6%，硼的质量百分数为0.5%。
本发明的有益效果为：
1、硼﹑硅和碳是影响镍基合金零件硬度和开裂敏感性的非常重要的三个元素，硼﹑硅和碳含量的增加会提高镍基合金零件的硬度和耐磨性，但也会增加合金零件的开裂敏感性；目前市场上的激光3D打印用镍基合金粉末为了保证零件无裂纹，硼﹑硅和碳的含量大多较低甚至没有，这明显降低了零件的硬度和耐磨性，减少了零件的应用范围；在硼﹑硅和碳三个元素中，影响镍基合金零件开裂敏感性最大的是硼元素，其次是硅元素，影响零件开裂敏感性最小的是碳元素。本发明相对市场上常用激光3D打印用镍基合金粉末增加了碳的含量，碳元素的含量经过多次试验和检测，采用这种碳含量的合金粉末进行激光3D打印得到的零件有高硬度（硬度在52HRC-57HRC）较高抗拉强度（σb≧1100 MN/m2）和耐磨性，又保证零件无裂纹，克服了现有低碳含量才能确保零件无裂纹的技术偏见。
2、采用本发明合金粉末激光3D打印Ni基零件，在Ni基零件（密度约：8.9 g/cm3）的熔化与凝固过程中会析出WC（密度约：15.6 g/cm3）﹑Mo2C（密度约：9.18 g/cm3）﹑NbC（密度约：8.47 g/cm3）﹑Cr7C3（密度约：6.94 g/cm3）﹑VC（密度约：5.77 g/cm3）和TiC（密度约：4.93g/cm3）等碳化物，由于各种碳化物与Ni基合金密度不同，各种碳化物在合金粉末熔化时会基本均匀分布于Ni基合金零件中，可以达到提高零件耐磨性﹑减少成分偏析与应力集中的目的。
3、合金粉末添加了少量的硼和一定量硅，硼和硅都是强氧化物形成元素，能在3D打印过程中还原零件中的氧化物，形成B2O3和SiO2，浮于零件表面，在热应力作用下自然与零件表面脱落，使3D打印过程既可以在完全充氩环境下进行，也可以在局部充氩或空气环境下使用，不受环境气氛的影响，都可获得无氧化夹杂的高质量零件；同时硼和硅的含量也是经过多次试验得到的，进一步克服了硼、硅和碳含量较高会导致零件产生裂纹的技术偏见。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
合金粉末的制备方法大多都是采用电解镍板和金属铬块等原料经过感应加热熔炼﹑气雾化和筛分等步骤获得，合金粉末的粒度为15-53 μm，粉末外形为球形。
实施例1
原料质量百分数为：0.9%的碳（C），2.5%的钨（W），20.0%的铬（Cr），1.6%的钛（Ti），2.0%的钼（Mo），1.5%的钒（V），0.15%的铌（Nb），余量为镍（Ni），其重量之和为100%。
采用上述合金粉末的方法制得激光3D打印高硬度镍基合金专用合金粉末。
实施例2
原料质量百分数为：1.3%的碳（C），2.0%的钨（W），25.0%的铬（Cr），1.2%的钛（Ti），2.5%的钼（Mo），1.0%的钒（V），0.7%的铌（Nb），余量为镍（Ni），其重量之和为100%。
采用上述合金粉末的方法制得激光3D打印高硬度镍基合金专用合金粉末。
实施例3
原料质量百分数为：1.1%的碳（C），2.2%的钨（W），22.5%的铬（Cr），1.6%的钛（Ti），2.2%的钼（Mo），1.2%的钒（V），0.4%的铌（Nb），余量为镍（Ni），其重量之和为100%。
采用上述合金粉末的方法制得激光3D打印高硬度镍基合金专用合金粉末。
实施例4
原料质量百分数为：0.9%的碳（C），1.8%的硅（Si），0.3%的硼（B），2.5%的钨（W），20.0%的铬（Cr），1.6%的钛（Ti），2.0%的钼（Mo），1.5%的钒（V），0.15%的铌（Nb），余量为镍（Ni），其重量之和为100%。
采用上述合金粉末的方法制得激光3D打印高硬度镍基合金专用合金粉末。
实施例5
原料质量百分数为：1.3%的碳（C），1.4%的硅（Si），0.7%的硼（B），2.0%的钨（W），25.0%的铬（Cr），1.2%的钛（Ti），2.5%的钼（Mo），1.0%的钒（V），0.7%的铌（Nb），余量为镍（Ni），其重量之和为100%。
采用上述合金粉末的方法制得激光3D打印高硬度镍基合金专用合金粉末。
实施例6
原料质量百分数为：1.1%的碳（C），1.6%的硅（Si），0.5%的硼（B），2.2%的钨（W），22.5%的铬（Cr），1.6%的钛（Ti），2.2%的钼（Mo），1.2%的钒（V），0.4%的铌（Nb），余量为镍（Ni），其重量之和为100%。
采用上述合金粉末的方法制得激光3D打印高硬度镍基合金专用合金粉末。
现有IN718合金粉末的重量百分含量（wt%）：
碳（C）： 0.08
硅（Si）： 0.35
铝（Al）： 0.8
铁（Fe）： 15.57
铬（Cr）： 19
钛（Ti）： 1.15
钼（Mo）： 3.3
锰（Mn）： 0.35
铌（Nb）： 5.1
余量为镍（Ni），其重量之和为100%。
对比试验：
1、将实施例1-6得到的合金粉末和现有IN718合金粉末在完全充氩环境下进行激光3D打印，对得到的零件进行硬度、抗拉强度和夹杂氧化物进行检测，结果如下表所示：
| 采用的合金粉末 | 硬度（HRC） | 抗拉强度（MN/m2） | 夹杂氧化物（金相显微镜100倍放大观察） |
| 实施例1 | 50 | 1100 | 很少 |
| 实施例2 | 51 | 1150 | 很少 |
| 实施例3 | 51 | 1200 | 很少 |
| 实施例4 | 54 | 1250 | 很少 |
| 实施例5 | 55 | 1268 | 很少 |
| 实施例6 | 57 | 1300 | 很少 |
| IN718 | 40 | 860 | 很少 |
2、将实施例1-6得到的合金粉末和现有IN718合金粉末在局部充氩环境下进行激光3D打印，对得到的零件进行硬度、抗拉强度和夹杂氧化物进行检测，结果如下表所示：
| 采用的合金粉末 | 硬度（HRC） | 抗拉强度（MN/m2） | 夹杂氧化物（金相显微镜100倍放大观察） |
| 实施例1 | 50 | 1050 | 有一定数量 |
| 实施例2 | 50 | 1030 | 有一定数量 |
| 实施例3 | 51 | 1010 | 有一定数量 |
| 实施例4 | 53 | 1250 | 很少 |
| 实施例5 | 54 | 1280 | 很少 |
| 实施例6 | 56 | 1290 | 很少 |
| IN718 | 39 | 840 | 有一定数量 |
3、将实施例1-6得到的合金粉末和现有IN718合金粉末在空气环境下进行激光3D打印，对得到的零件进行硬度、抗拉强度和夹杂氧化物进行检测，结果如下表所示：
| 采用的合金粉末 | 硬度（HRC） | 抗拉强度（MN/m2） | 夹杂氧化物（金相显微镜100倍放大观察） |
| 实施例1 | 50 | 960 | 数量较多 |
| 实施例2 | 51 | 980 | 数量较多 |
| 实施例3 | 51 | 990 | 数量较多 |
| 实施例4 | 53 | 1220 | 很少 |
| 实施例5 | 54 | 1260 | 很少 |
| 实施例6 | 55 | 1280 | 很少 |
| IN718 | 38 | 805 | 数量较多 |
夹杂氧化物的数量采用很少、一定数量和较多三个级别进行计算，很少为几乎没有，一定数量为能够明显观察到有夹杂氧化物，数量较多为夹杂氧化物数量为一定数量级别中夹杂氧化物的几倍。
通过上述3组对比试验可以得出，实施例1-6制得的合金粉末用于激光3D打印得到的合金零件，在硬度和抗拉强度方面均要好于现有IN718合金粉末用于激光3D打印得到的合金零件；实施例4-6制得的合金粉末在局部充氩环境下或者空气环境下用于激光3D打印得到的合金零件，产生的夹杂氧化物数量明显少于实施例1-3和IN718合金粉末制得的合金粉末在局部充氩环境下或者空气环境下用于激光3D打印得到的合金零件；通过上述试验，验证本发明的方案及其改进方案所具有的有益效果，进而证实了本发明的方案及其改进方案的先进性，具有较大的实用和经济价值。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种激光3D打印高硬度镍基合金专用合金粉末，其特征在于，包括下述重量百分数的原料：0.9—1.3%的碳（C），2.0—2.5%的钨（W），20.0—25.0%的铬（Cr），1.2—1.6%的钛（Ti），2.0—2.5%的钼（Mo），1.0—1.5%的钒（V），0.15—0.7%的铌（Nb），余量为镍（Ni），其重量之和为100%。
2.根据权利要求1所述的一种激光3D打印高硬度镍基合金专用合金粉末，其特征在于，包括下述重量百分数的原料：1.1%的碳（C），2.2%的钨（W），22.5%的铬（Cr），1.6%的钛（Ti），2.2%的钼（Mo），1.2%的钒（V），0.4%的铌（Nb），余量为镍（Ni），其重量之和为100%。
3.根据权利要求1所述的一种激光3D打印高硬度镍基合金专用合金粉末，其特征在于，还包括下述重量百分数的原料：1.4—1.8%的硅（Si），0.3—0.7%的硼（B）。
4.根据权利要求3所述的一种激光3D打印高硬度镍基合金专用合金粉末，其特征在于，硅的重量百分数为1.6%，硼的质量百分数为0.5%。
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| 王家振: "《氧-乙炔金属粉末喷涂喷焊技术》", 30 June 1987, 贵州人民出版社 * |
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