CN110157953A - 一种激光增材制造用高温合金粉末及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光增材制造用高温合金粉末及其制备方法，该高温合金粉末材料按化学成分重量百分比为：C:≦0.03%；Si:0.8~1.4%；Mn：0.3~0.5%；Cr：19~23%；Co：12~14%;Mo：6.5~8%；W：1.5~3%；Fe:0.6~1.2%；Al:1.5~2.3%；Ti：2.6~3.4%；P:1.6~2.2%；Ce:0.2~0.6%；Ni：余量。有益效果在于：强度较高、耐高温、抗氧化、具有优越熔覆性能、适合耐高温这一类特定零部件表面大面积激光熔覆和激光快速成型增材制造，使其结合激光熔覆增材制造强化技术，可有效地修复或再制造失效的各类耐高温工件和快速成型增材制造高温合金零部件。
Description
技术领域
本发明涉及激光增材技术领域，具体涉及一种激光增材制造用高温合金粉末及其制备方法。
背景技术
高温合金是指能够在650℃以上长期使用的，具有良好的抗氧化性、抗腐蚀性能、优异的拉伸、持久、疲劳性能和长期组织稳定性等综合性能的一类材料。高温合金通常是以第Ⅷ主族元素（铁、钴、镍等）为基，加入大量强化元素而形成的一类合金。它是为了满足各种高温使用条件下的现代航空航天技术的要求而发展起来的，先进的航空航天发动机一直是显示高温合金生命力最活跃的领域。高温合金还广泛地应用于工业燃气涡轮机、核反应堆、潜艇、火力发电厂和石油化工设备。
对于各工业领域失效的高温合金零部件，目前最有效、最经济的修复方法是采用激光熔覆技术结合耐高温抗氧化合金粉末材料，进行激光加工。它有效地避免了其它修复方法所带来的局限性和风险，有效地提升了工件工作表面的许多高温性能，周期短，效率高，使用寿命提高显著。
激光熔覆技术是一项新兴的表面增材制造技术，作为一种先进的再制造技术，随着激光器功率和稳定性的不断提高，得到了迅速推广和广泛应用。激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。激光熔覆是在金属表面获得与基体牢固冶金结合，且无气孔、裂纹等缺陷的高性能表面覆层的先进再制造技术，它可以在低成本基材上制备出高性能的表面涂层，以取代大量高级、高性能的整体材料，节约贵重金属，降低零部件成本。激光熔覆解决了许多常规方法很难加工或无法加工的问题，为产品修复和再制造提供了一种技术独特、先进有效的方法。与堆焊、喷涂、电镀或电刷镀及气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点。激光熔覆技术解决了传统电焊、氩弧焊等热加工过程中不可避免的热变形、热疲劳损伤、气孔产生等一系列技术难题，同时也解决了传统电镀、喷涂等冷加工过程中熔覆层与基体结合强度差的矛盾，因此激光熔覆技术应用前景十分广阔。
将激光熔覆这种先进的增材制造技术，结合耐高温抗氧化合金粉末，可以对失效的各种高温合金工件进行成功修复和强化，使其恢复并提高使用功能。关键问题是寻求或提供激光熔覆及增材制造所需要的合适的合金粉末材料，该粉末材料除具有所需的特殊高温性能外，还要适合大面积无缺陷激光熔覆加工处理和零部件的快速成型制造。目前没有适合于高温工件工作表面大面积有效激光熔覆的、具有特殊属性和特殊性能的合金粉末。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种强度较高、耐高温、抗氧化、具有优越熔覆性能、适合耐高温这一类特定零部件表面大面积激光熔覆和激光快速成型增材制造的合金粉末。使其结合激光熔覆增材制造强化技术，可有效地修复或再制造失效的各类耐高温工件和快速成型增材制造高温合金零部件。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种激光增材制造用高温合金粉末，该高温合金粉末材料按化学成分重量百分比为：
C:≦0.03%； Si:0.8~1.4%；Mn：0.3~0.5%；Cr：19~23%； Co：12~14%；Mo：6.5~8%；W：1.5~3% ；Fe: 0.6~1.2%；Al:1.5~2.3%；Ti：2.6~3.4%； P:1.6~2.2%；Ce:0.2~0.6%； Ni：余量。
作为优选，按化学成分重量百分比计，所述高温合金粉末包括C：0.01%； Si：1.2%；Mn：0.4%；Cr:21%； Co：12.5%； Mo：6.9%；W：1.8% ；Fe:0.8%；Al:1.8%；Ti:2.9%； P:1.9%；Ce:0.4%；Ni:余量。
作为优选，按化学成分重量百分比计，所述高温合金粉末包括C： 0.03%；Si：1.4%；Mn：0.4%；Cr:22%； Co：13.5%；Mo：7.5%；W：2.4% ；Fe:1.0%；Al:2.0%；Ti:3.2%； P:2.1%； Ce:0.5%；Ni:余量。
一种激光增材制造用高温合金粉末的制备方法，包括以下工艺步骤：真空熔炼-气雾化制粉-筛分-机械混粉；具体如下：
（1）配料，按照目标成分进行配料；
（2）真空熔炼，将按一定比例配好的C、Mn、Cr、Co、Mo、W、Fe、Ni加入到熔炼炉中，使这些配料熔化；然后将配料Al、Ti、Ce、Si 、P加入到熔化的合金溶液中，熔炼完成出炉；
（3）气雾化制粉，将步骤（2）中制得的合金溶液雾化；
（4）筛分，通过筛选机筛选出所需粒度的高温合金粉末。
（5）机械混粉，通过混合机将步骤（4）中筛选的额高温合金粉末混和均匀。
作为本案一种实施方式，所述步骤（4）中筛分的粉末平均颗粒度为53~150μm，即﹣100﹢270目，用于激光熔覆。
进一步地，所述激光熔覆中采用6KW光纤激光器，结合加工平台、智能送粉器，在惰性气体保护下在失效工件表面进行操作；
其中激光工艺参数是：功率：3500~4800W，预置粉厚度：1.0~1.2mm，光斑直径：4.0~6.0mm，焦距：260~360mm，搭接率：50%，扫描速度：600~900mm/min。
作为本案一种实施方式，所述步骤（4）中筛分的粉末平均颗粒度为15~53μm，即﹣270﹢900目，用于激光增材制造3D金属打印。
进一步地，所述激光增材制造3D金属打印用200W光纤激光器，铺粉方式预置激光增材制造用高温合金粉末材料，在实际操作中结合工作台，在惰性气体保护下，以3D打印方法增材制造高温合金零件；
激光工艺参数是：功率：200W，光斑直径：70μm，搭接量：60μm，曝光时间100ms，层厚：40μm，粉末粒度15~45μm。
作为本案一种实施方式，所述步骤（4）中筛分的粉末平均颗粒度为53~104μm，即﹣140﹢270目，用于激光增材制造3D金属打印。
进一步地，所述激光增材制造3D金属打印用1万W半导体激光器，送粉或铺粉方式预置本发明激光增材制造用高温合金粉末材料，在实际操作中结合工作台，在惰性气体保护下，以3D打印方法增材制造较大尺寸高温合金零件；
激光工艺参数是：功率：2000W，光斑直径：3.5mm，搭接量：2mm，扫描速度：600mm/min，层厚：0.6mm，粉末粒度53~104μm。
综上，本发明的有益效果在于：
1、所述激光增材制造用高温合金粉末的成分设计，增加并适当调整Cr、Co、Mo、W合金元素的百分比，其中Cr、Co元素的百分含量都大于10%以上，还含有较高比例的Mo元素和少量W元素，可以有效提高合金的耐高温、高强韧性和高温抗氧化性能；
2、所述激光增材制造用高温合金粉末材料还添加一定比例的强化元素Al、Ti、Ce，可以进一步提高高温强度和高温抗氧化腐蚀性，还可适当降低合金的膨胀系数；
3、在主要合金组成元素和添加强化元素的成分设计基础上，再添加一定比例的降低合金熔点元素Si、P，在具有耐高温抗氧化性能的同时，适当降低合金熔点，既有助于真空雾化制粉，又有效改善激光增材制造及熔覆性能。
4、合金熔覆层或快速成型增材制造工件时，在具有高强度和高强韧性的同时，又降低了合金熔点和膨胀系数。可以减少激光强化过程中合金熔覆层的组织应力和热应力，有效降低激光强化过程覆层开裂倾向。从根本上解决并提高了表面强化材料的抗裂性、成型性、表面平整性、工艺稳定性和成分均匀性，进而完美实现了合金粉末在耐高温工件表面上形成新的合金覆层和快速成型制造零部件。
5、所述激光增材制造用高温合金粉末材料，适用于高温工况条件下的各类工件表面大面积激光熔覆强化。通过激光熔覆强化处理，使失效的耐高温工件不仅恢复了使用，而且提高了耐高温、耐腐蚀磨损性能。有效解决了失效高温工件的修复与强化难题，提高了使用寿命，减少了更换次数。为航空等行业成功修复失效后的耐高温工件，提供了一种行之有效、经济适用的便捷方法和激光增材制造用高温合金粉末材料，应用市场广阔，经济效益和社会效益显著。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
本发明提供了一种激光增材制造用高温合金粉末，该高温合金粉末材料按化学成分重量百分比为：
C:≦0.03%； Si:0.8~1.4%；Mn：0.3~0.5%；Cr：19~23%； Co：12~14%；Mo：6.5~8%；W：1.5~3% ；Fe: 0.6~1.2%；Al:1.5~2.3%；Ti：2.6~3.4%； P:1.6~2.2%；Ce:0.2~0.6%； Ni：余量。
该高温合金粉末材料是根据激光增材制造技术快速发展的需求，特别是市场对既有耐高温抗氧化性能，又有优异的增材制造（如激光熔覆）性能的高温合金粉末材料的紧迫需求，经过合金成分的优化设计和制粉生产而形成的。在需要高温抗氧化的失效工件激光修复或增材制造新品上制备这种高温合金材料，可明显提高零部件表面的高温抗氧化性能，也为激光增材制造提供一种全新的性能优异的合金粉末。利用激光增材制造技术和本发明粉末材料，直接通过金属快速成型（3D打印）的形式，制造高温合金零部件。也可以利用激光熔覆技术，在工件表面熔覆与基材浸润良好的本发明高温合金涂层，使工件表层形成新的含有高温强化组织且具有超细化、高强韧性金相组织的合金层。通过提高工件工作表面高温抗氧化性，实现各种高温失效零部件激光修复与再制造，恢复或强化使用功能。
该激光增材制造用高温合金粉末材料的成分设计，是在镍基高温合金成分基础上，通过适当调整Cr、Co、Mo、W等合金元素的百分比、添加强化元素Al、Ti、Ce和降低合金熔点元素Si、P等，在具有耐高温抗氧化性能的同时，适当降低合金熔点，有效改善激光增材制造及熔覆性能，形成适合于高温失效零部件表面激光熔覆或激光增材制造直接成形高温合金零部件的粉末材料。
本发明所述高温合金粉末，适用于各种要求同时具备耐高温抗氧化和高强韧性能的零部件表面激光熔覆，可以降低激光强化过程中合金熔覆层的组织应力和热应力。因而用该粉末进行激光熔覆后，熔覆层具有组织细小、无孔洞和裂纹、覆层与基材呈冶金结合、结合强度高的特点。用该粉末进行高温合金零部件激光增材制造，基体具有组织细小、无孔洞和裂纹、结合强度高的特点，且所形成的合金覆层或激光打印的零部件具有耐高温、抗氧化、强韧性好等特点。
通过工件表面激光熔覆高温合金，可对普通材质的工件表面进行改性，使其表面具有优良的耐高温抗氧化性能，进而提高工件在高温工况环境下有效提高抗氧化性能，增加使用寿命。通过增材制造高温合金零部件，解决快速成型问题。该发明有效解决了失效工件快速成功修复的技术难题，为航空、军工、冶金等行业成功修复失效后的高温合金工件，及快速成型高温合金零部件，并提高各项高温性能，提供了一种行之有效、经济适用的激光增材制造用高温合金粉末材料。
本发明还提供一种制备上述激光增材制造用高温合金粉末的制备方法，包括以下工艺步骤：真空熔炼-气雾化制粉-筛分-机械混粉；具体如下：
（1）配料，按照目标成分进行配料。
（2）真空熔炼，将按一定比例配好的C、Mn、Cr、Co、Mo、W、Fe、Ni加入到熔炼炉中，使这些配料熔化；然后将配料Al、Ti、Ce、Si 、P加入到熔化的合金溶液中，熔炼完成出炉；熔炼炉可选频感应炉。
（3）气雾化制粉，将步骤（2）中制得的合金溶液雾化。
（4）筛分，通过筛选机筛选出所需粒度的高温合金粉末。
（5）机械混粉，通过混合机将步骤（4）中筛选的额高温合金粉末混和均匀。
以下为优选实施例：
实施例一：
作为本案优选的实施方式，所制得的高温合金粉末按化学成分重量百分比计为：C：0.01%； Si：1.2%；Mn：0.4%；Cr:21%； Co：12.5%； Mo：6.9%；W：1.8% ；Fe:0.8%；Al:1.8%；Ti:2.9%； P:1.9%； Ce:0.4%；Ni:余量。
其中筛分出的用于激光熔覆的粉末平均颗粒度为53~150μm，即﹣100﹢270目。
所述激光熔覆中采用6KW光纤激光器，结合加工平台、智能送粉器，在惰性气体保护下在失效工件表面进行操作。激光工艺参数是：功率：3500~4800W，预置粉厚度：1.0~1.2mm，光斑直径：4.0~6.0mm，焦距：260~360mm，搭接率：50%，扫描速度：600~900mm/min。
对国内某公司失效的高温合金GH864工件进行激光熔覆强化处理。上机试验使用效果良好，高温抗氧化性能大幅提高，使用寿命提高2倍，延长了工件更换周期，获得用户的赞誉。
实施例二：
所制得的高温合金粉末按化学成分重量百分比计为：C： 0.03%；Si：1.4%；Mn：0.4%；Cr:22%； Co：13.5%；Mo：7.5%；W：2.4% ；Fe:1.0%；Al:2.0%；Ti:3.2%； P:2.1%； Ce:0.5%；Ni:余量。
其中筛分出的粉末平均颗粒度为15~53μm，即﹣270﹢900目，用于激光增材制造3D金属打印。
所述激光增材制造3D金属打印用200W光纤激光器，铺粉方式预置激光增材制造用高温合金粉末材料，在实际操作中结合工作台，在惰性气体保护下，以3D打印方法增材制造高温合金零件；激光工艺参数是：功率：200W，光斑直径：70μm，搭接量：60μm，曝光时间100ms，层厚：40μm，粉末粒度15~45μm。
实施例三：
所制得的高温合金粉末按化学成分重量百分比计为：C： 0.03%；Si：1.4%；Mn：0.4%；Cr:22%； Co：13.5%；Mo：7.5%；W：2.4% ；Fe:1.0%；Al:2.0%；Ti:3.2%； P:2.1%； Ce:0.5%；Ni:余量。
所述步骤（4）中筛分的粉末平均颗粒度为53~104μm，即﹣140﹢270目，用于激光增材制造3D金属打印。
所述激光增材制造3D金属打印用1万W半导体激光器，送粉或铺粉方式预置本发明激光增材制造用高温合金粉末材料，在实际操作中结合工作台，在惰性气体保护下，以3D打印方法增材制造较大尺寸高温合金零件。
激光工艺参数是：功率：2000W，光斑直径：3.5mm，搭接量：2mm，扫描速度：600mm/min，层厚：0.6mm，粉末粒度53~104μm。
实施例二和实施例三已经在国内某公司要求提供的不同尺寸规格的高温合金零件进行激光增材制造，打印效果良好，结合强度、光洁度、平整度符合技术要求，高温耐蚀抗氧化性能大幅提高，获得用户的认可和好评。
实施例四：
所制得的高温合金粉末按化学成分重量百分比计为：C： 0.02%；Si：0.8%；Mn：0.5%；Cr:19%； Co：12%；Mo：6.5%；W：1.5 ；Fe:1.2%；Al:2.3%；Ti:2.6%； P:2,2%； Ce:0.2%；Ni:余量。
实施例五：
所制得的高温合金粉末按化学成分重量百分比计为：C： 0.02%；Si：1.4%；Mn：0.3%；Cr:23%； Co：12%；Mo：7.5%；W：3% ；Fe:0.6%；Al:1.6%；Ti:3.8%； P:2.2%； Ce:0.6%；Ni:余量。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种激光增材制造用高温合金粉末，其特征在于：该高温合金粉末材料按化学成分重量百分比为：
C:≦0.03%； Si:0.8~1.4%；Mn：0.3~0.5%；Cr：19~23%； Co：12~14%；Mo：6.5~8%；W：1.5~3% ；Fe: 0.6~1.2%；Al:1.5~2.3%；Ti：2.6~3.4%； P:1.6~2.2%；Ce:0.2~0.6%； Ni：余量。
2.根据权利要求1所述一种激光增材制造用高温合金粉末，其特征在于：按化学成分重量百分比计，所述高温合金粉末包括C：0.01%； Si：1.2%；Mn：0.4%；Cr:21%； Co：12.5%； Mo：6.9%；W：1.8% ；Fe:0.8%；Al:1.8%；Ti:2.9%； P:1.9%； Ce:0.4%；Ni:余量。
3.根据权利要求2所述一种激光增材制造用高温合金粉末，其特征在于：按化学成分重量百分比计，所述高温合金粉末包括C： 0.03%；Si：1.4%；Mn：0.4%；Cr:22%； Co：13.5%；Mo：7.5%；W：2.4% ；Fe:1.0%；Al:2.0%；Ti:3.2%； P:2.1%； Ce:0.5%；Ni:余量。
4.根据权利要求1-3任一所述一种激光增材制造用高温合金粉末的制备方法，其特征在于：包括以下工艺步骤：真空熔炼-气雾化制粉-筛分-机械混粉；具体如下：
（1）配料，按照目标成分进行配料；
（2）真空熔炼，将按一定比例配好的C、Mn、Cr、Co、Mo、W、Fe、Ni加入到熔炼炉中，使这些配料熔化；然后将配料Al、Ti、Ce、Si 、P加入到熔化的合金溶液中，熔炼完成出炉；
（3）气雾化制粉，将步骤（2）中制得的合金溶液雾化；
（4）筛分，通过筛选机筛选出所需粒度的高温合金粉末；
（5）机械混粉，通过混合机将步骤（4）中筛选的额高温合金粉末混和均匀。
5.根据权利要求4所述一种激光增材制造用高温合金粉末的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中筛分的粉末平均颗粒度为53~150μm，即﹣100﹢270目，用于激光熔覆。
6.根据权利要求5所述一种激光增材制造用高温合金粉末的制备方法，其特征在于：所述激光熔覆中采用6KW光纤激光器，结合加工平台、智能送粉器，在惰性气体保护下在失效工件表面进行操作；
其中激光工艺参数是：功率：3500~4800W，预置粉厚度：1.0~1.2mm，光斑直径：4.0~6.0mm，焦距：260~360mm，搭接率：50%，扫描速度：600~900mm/min。
7.根据权利要求4所述一种激光增材制造用高温合金粉末的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中筛分的粉末平均颗粒度为15~53μm，即﹣270﹢900目，用于激光增材制造3D金属打印。
8.根据权利要求7所述一种激光增材制造用高温合金粉末的制备方法，其特征在于：所述激光增材制造3D金属打印用200W光纤激光器，铺粉方式预置激光增材制造用高温合金粉末材料，在实际操作中结合工作台，在惰性气体保护下，以3D打印方法增材制造高温合金零件；
激光工艺参数是：功率：200W，光斑直径：70μm，搭接量：60μm，曝光时间100ms，层厚：40μm，粉末粒度15~45μm。
9.根据权利要求4所述一种激光增材制造用高温合金粉末的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中筛分的粉末平均颗粒度为53~104μm，即﹣140﹢270目，用于激光增材制造3D金属打印。
10.根据权利要求9所述一种激光增材制造用高温合金粉末的制备方法，其特征在于：所述激光增材制造3D金属打印用1万W半导体激光器，送粉或铺粉方式预置本发明激光增材制造用高温合金粉末材料，在实际操作中结合工作台，在惰性气体保护下，以3D打印方法增材制造较大尺寸高温合金零件；
激光工艺参数是：功率：2000W，光斑直径：3.5mm，搭接量：2mm，扫描速度：600mm/min，层厚：0.6mm，粉末粒度53~104μm。
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Application publication date: 20190823 |