CN108044122B - 一种Nb-Si基合金空心涡轮叶片的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于空心涡轮叶片的制备技术领域，涉及一种激光快速成形技术制备尤其涉及一种Nb‑Si基合金空心涡轮叶片的制备方法。本发明以商用纯元素粉末为原料，对原料粉末的几何形貌无特殊要求，无需球形粉末，同时也无需制备预合金化粉末。制备过程不需要坩埚约束，无需研制高承温能力的惰性陶瓷型壳和型芯，有效避免了电极、坩埚等对高活性Nb‑Si合金熔体的污染。本发明以激光为能量源，利用激光加工的快速熔化和凝固特点，能大幅度细化Nb‑Si基合金的显微组织，此外，采用单道次扫描获得的Nb‑Si基合金的显微组织呈现出一定的取向性，这些组织特征均有利于提高脆性Nb‑Si合金的韧塑性，降低在送粉式激光快速成形过程中Nb‑Si合金的裂纹倾向性。

Description

一种Nb-Si基合金空心涡轮叶片的制备方法
技术领域
本发明属于空心涡轮叶片的制备技术领域，涉及一种激光快速成形技术制备尤其涉及一种Nb-Si基合金空心涡轮叶片的制备方法。
背景技术
Nb-Si基合金具有高熔点、高刚度、低密度以及优异的高温强度，是最具潜力替代现有镍基高温合金，承温能力达到1200～1400℃的超高温结构材料，在新一代高推比航空发动机和高比冲火箭发动机动力装备等超高温领域有广泛的应用。
目前，Nb-Si基合金的制备方法主要有真空电弧熔炼、定向凝固、粉末冶金、普通精密铸造等。
真空电弧熔炼是在真空条件下，利用电极和坩埚两极间电弧放电产生的高温热源将金属熔化，并在坩埚内冷凝成锭的过程，真空电弧熔炼是目前制备Nb-Si基合金应用最为广泛的方法，但真空电弧熔炼制备得到的合金存在缩孔缩松、组织粗大、均匀性差、存在室温亚稳相。
定向凝固技术在航空工业中具有广泛的应用，运用定向凝固技术可以制备出疲劳寿命较长，抗热冲击性能优良、高温蠕变抗力较好的空心涡轮叶片，并且可以提高材料的使用温度。然而传统定向凝固工艺由于冷却速率低，易导致组织粗化，且高活性的Nb-Si基合金熔体易与定向凝固用坩埚发生界面反应，导致合金杂质含量高。
粉末冶金技术是利用金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)制备材料的常用方法，该方法可以生产大块材料和一定形状的零件。相对传统的铸造方法而言，粉末冶金的原材料利用率很高(达95％)，在零部件制造和材料合成方面具有可近终成形，材料显微组织细小，成分均匀，可获得综合性能良好的材料，但合金组织性能受工艺影响强烈，且致密度较低。
精密铸造技术是生产Nb-Si合金空心涡轮叶片最具潜力的一种方法。然而，由于目前精密铸造所采用的陶瓷型芯和模壳的承温能力不足，且在高温下与Nb-Si合金熔体发生反应，这种方法的发展受到了一定的限制。
此外，以上方法都需要模具或坩埚，难以直接制备具有特定尺寸和复杂形状、结构(变截面、内腔或冷却通道)的构件。
发明内容
本发明为克服上述问题，提供了一种利用高能激光束为熔化热源，纯元素粉末为原料，采用送粉式激光快速成形技术制备Nb-Si基超高温合金空心涡轮叶片的方法。
本发明的技术解决方案是，
以纯元素粉末为原料，采用送粉式激光快速成形技术制备空心涡轮叶片，制备过程包括以下步骤：
(1)建立待加工的空心涡轮叶片三维CAD模型，然后在空心涡轮叶片的高度方向上对CAD模型进行分层切片处理，再对每层切片进行激光扫描路径填充，每层激光扫描路径采用单道次填充，然后将切片信息和扫描路径信息导入送粉式激光快速成形系统；
(2)商用Nb-Si基合金的纯元素粉末通过筛分，获得平均粒径分布在50～100μm纯元素粉末；
(3)将步骤(2)获得的纯元素粉末，按照所需制备的Nb-Si基合金化学成分称量并混合，获得Nb-Si基合金的混合粉末；
(4)将混合粉末置于激光快速成形系统的送粉器中，以高纯氩气为载粉气流和保护气；
(5)激光和粉末同轴输出，并按照步骤(1)中获得的切片信息和扫描路径信息设置送粉式激光快速成形设备的送粉速率、激光功率、激光离焦距离及激光扫描速度，在激光的作用下，混合粉末在成形基板上熔化形成熔池，并随着激光移开，熔池凝固，激光完成扫描后，得到一个沉积层；
(6)同轴送粉头上升一个沉积层厚度，重复步骤(5)进行下一个沉积层的制备；
(7)重复步骤(6)，直到Nb-Si基合金空心涡轮叶片制备完成，待合金温度降至室温后取出。
所述步骤(1)中一个切片层的厚度为0.3～0.8mm。
所述步骤(3)中所采用的混合方法是采用行星式球磨机混合1～5h，并且在混合过程中不添加任何磨球。
所述步骤(4)中载粉气流流速：5～10L/min，保护气流速：10～30L/min。
所述步骤(5)中成形基板为Ti6Al4V。
所述步骤(5)中的送粉式激光快速成形设备的送粉速率设为5～15g/min，激光功率设为：800～3000W，激光处于离焦条件，离焦距离：5～20mm；激光扫描速度400～800mm/min。
本发明具有的优点和有益效果
本发明提供了一种Nb-Si基合金空心涡轮叶片的制备方法，以商用纯元素粉末为原料，对原料粉末的几何形貌无特殊要求，无需球形粉末，同时也无需制备预合金化粉末。制备过程不需要坩埚约束，无需研制高承温能力的惰性陶瓷型壳和型芯，有效避免了电极、坩埚等对高活性Nb-Si合金熔体的污染。本发明以激光为能量源，利用激光加工的快速熔化和凝固特点，能大幅度细化Nb-Si基合金的显微组织，此外，采用单道次扫描获得的Nb-Si基合金的显微组织呈现出一定的取向性，这些组织特征均有利于提高脆性Nb-Si合金的韧塑性，降低在送粉式激光快速成形过程中Nb-Si合金的裂纹倾向性。此外，通过粉末的逐点熔化与凝固，能凝固消除传统熔铸工艺制备Nb-Si基合金所难以避免的成分偏析，组织不均匀，晶粒粗大等问题。实现高性能复杂结构的Nb-Si基合金空心涡轮叶片的制备。
具体实施方式
以下本发明做进一步阐述，但本发明并不局限于具体实施例。
制备过程包括以下步骤：
(1)建立待加工的空心涡轮叶片三维CAD模型，然后在空心涡轮叶片的高度方向上根据先前的试验结果、设备条件及零件几何特征对CAD模型进行分层切片处理，切片厚度为：0.3～0.8mm；再对每层切片进行激光扫描路径填充，每层激光扫描路径采用单道次填充，即空心叶片型壁的二维切片仅设计一次激光扫描成形，然后将切片信息和扫描路径信息导入送粉式激光快速成形系统；
(2)Nb-Si基合金的组成元素的纯元素粉末通过筛分，获得粒径分布在50～100μm纯元素粉末；
(3)将步骤(2)获得的纯元素粉末，按照所需制备的Nb-Si基合金化学成分称量后采用行星式球磨机混合1～5h，并且在混合过程中不添加任何磨球，获得混合粉末；
(4)将混合粉末置于激光快速成形系统的送粉器中，以高纯氩气为载粉气流和保护气，载粉气流流速：5～10L/min，保护气流速：10～30L/min；
(5)激光和粉末同轴输出且垂直于成形基板，成形基板采用Ti6Al4V，并按照步骤(1)中的切片信息和扫描路径信息设置送粉式激光快速成形设备的送粉速率、激光功率、激光离焦距离及激光扫描速度，送粉速率设为5～15g/min，激光功率设为：800～3000W，激光处于离焦条件，离焦距离：5～20mm；激光扫描速度400～800mm/min，使得沉积层的宽度和厚度与切片信息基本吻合。在激光的作用下，混合粉末在成形基板上熔化形成熔池，并随着激光移开，熔池凝固，激光扫描完一个切片层后，得到一个沉积层；
(6)粉末和激光的同轴头上升一个沉积层厚度，重复步骤(5)进行第二个沉积层的制备；
(7)重复步骤(6)，直到Nb-Si基合金空心涡轮叶片制备完成，待合金温度降至室温后取出。
实施例
一种Nb-18Si-23Ti-5Al合金空心涡轮叶片制备方法：
(1)建立待加工的空心涡轮叶片三维CAD模型，然后在空心涡轮叶片的高度方向上对CAD模型进行分层切片处理，切片厚度为：0.5mm，再对每层切片进行激光扫描路径填充，每层激光扫描路径采用单道次填充，然后将切片信息和扫描路径信息导入送粉式激光快速成形系统；
(2)将商用纯Nb粉、纯Si粉、纯Ti粉和纯Al粉通过金属筛筛分，获得粒径约为80μm的纯Nb粉、纯Si粉、纯Ti粉和纯Al粉；
(3)按照原子百分比为Nb-18Si-23Ti-5Al的成分，将步骤(2)获得的粒径约80μm的纯Nb粉、纯Si粉、纯Ti粉和纯Al粉混合。采用行星式球磨机混合2h，混合过程中不添加任何磨球；
(4)将混合粉末置于激光快速成形系统的送粉器中，以高纯氩气为送粉气流，设置载粉气流为：8L/min，以氩气为保护气，保护气流量为：20L/min；
(5)激光和粉末同轴输出且垂直于成形基板，成形基板采用Ti6Al4V，并按照步骤(1)中的切片信息和扫描路径信息设置送粉式激光快速成形设备的送粉速率、激光功率、激光离焦距离及激光扫描速度，送粉速率设为8g/min，激光功率设为：1500W，激光处于离焦条件，离焦距离：13mm；激光扫描速度600mm/min，沉积层的厚度约为0.5mm；
(6)按照步骤(1)所设置的扫描路径，在Ti6Al4V基体上沉积Nb-18Si-23Ti-5Al合金，获得第一层沉积层；
(7)同轴送粉头上升一个沉积层厚度，厚度约为0.5mm，重复步骤(6)进行第二个沉积层的制备；
(8)重复上述步骤(7)，直到Nb-18Si-23Ti-5Al合金空心涡轮叶片制备完成；
(9)待Nb-18Si-23Ti-5Al合金空心涡轮叶片温度降至室温后取出。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所做的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种Nb-Si基合金空心涡轮叶片的制备方法，其特征在于：以纯元素粉末为原料，采用送粉式激光快速成形技术制备空心涡轮叶片，制备过程包括以下步骤：
(1)建立待加工的空心涡轮叶片三维CAD模型，然后在空心涡轮叶片的高度方向上对CAD模型进行分层切片处理，再对每层切片进行激光扫描路径填充，每层激光扫描路径采用单道次填充，然后将切片信息和扫描路径信息导入送粉式激光快速成形系统；
(2)商用Nb-Si基合金的纯元素粉末通过筛分，获得平均粒径分布在50～100μm纯元素粉末；
(3)将步骤(2)获得的纯元素粉末，按照所需制备的Nb-Si基合金化学成分称量并混合，获得Nb-Si基合金的混合粉末；
(4)将混合粉末置于激光快速成形系统的送粉器中，以高纯氩气为载粉气流和保护气；
(5)激光和粉末同轴输出，并按照步骤(1)中获得的切片信息和扫描路径信息设置送粉式激光快速成形设备的送粉速率设为5～15g/min、激光功率设为：800～3000W、激光处于离焦条件，离焦距离：5～20mm；激光扫描速度设为：400--800mm/min，在激光的作用下，混合粉末在成形基板上熔化形成熔池，并随着激光移开，熔池凝固，激光完成扫描后，得到一个沉积层；
(6)同轴送粉头上升一个沉积层厚度，重复步骤(5)进行下一个沉积层的制备；
(7)重复步骤(6)，直到Nb-Si基合金空心涡轮叶片制备完成，待合金温度降至室温后取出。
2.根据权利要求1所述的一种Nb-Si基合金空心涡轮叶片的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中一个切片层的厚度为0.3～0.8mm。
3.根据权利要求1所述的一种Nb-Si基合金空心涡轮叶片的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所采用的混合方法是采用行星式球磨机混合1～5h，并且在混合过程中不添加任何磨球。
4.据权利要求1所述的一种Nb-Si基合金空心涡轮叶片的制备方法，其特征在于：步骤(4)中载粉气流流速：5～10L/min，保护气流速：10～30L/min。
5.据权利要求1所述的一种Nb-Si基合金空心涡轮叶片的制备方法，其特征在于：步骤(5)中成形基板为Ti6Al4V。
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