CN110918987A - 3d打印涡轮叶片的制备方法和涡轮导向叶片 - Google Patents
3d打印涡轮叶片的制备方法和涡轮导向叶片 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110918987A CN110918987A CN201911042078.9A CN201911042078A CN110918987A CN 110918987 A CN110918987 A CN 110918987A CN 201911042078 A CN201911042078 A CN 201911042078A CN 110918987 A CN110918987 A CN 110918987A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- turbine
- blade
- heat treatment
- air cooling
- nickel
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 title claims abstract description 40
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 32
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 116
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 101
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 92
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 91
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 64
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 54
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 48
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 25
- 238000004321 preservation Methods 0.000 claims abstract description 23
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims abstract description 21
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims abstract description 21
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 26
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims description 25
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 21
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 11
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 11
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 claims description 7
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims description 7
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 4
- 239000001307 helium Substances 0.000 claims description 4
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000011068 loading method Methods 0.000 claims description 3
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 5
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 10
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 9
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 7
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 6
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 6
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 5
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 5
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 4
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 4
- 238000005495 investment casting Methods 0.000 description 4
- 238000007873 sieving Methods 0.000 description 4
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 4
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 4
- 208000013201 Stress fracture Diseases 0.000 description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 208000019901 Anxiety disease Diseases 0.000 description 2
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 2
- 230000036506 anxiety Effects 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 2
- 238000004372 laser cladding Methods 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 2
- OBSZRRSYVTXPNB-UHFFFAOYSA-N tetraphosphorus Chemical compound P12P3P1P32 OBSZRRSYVTXPNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004073 vulcanization Methods 0.000 description 2
- 101000912561 Bos taurus Fibrinogen gamma-B chain Proteins 0.000 description 1
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 239000011859 microparticle Substances 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 150000002815 nickel Chemical class 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 1
- 159000000000 sodium salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- LSGOVYNHVSXFFJ-UHFFFAOYSA-N vanadate(3-) Chemical compound [O-][V]([O-])([O-])=O LSGOVYNHVSXFFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/10—Sintering only
- B22F3/105—Sintering only by using electric current other than for infrared radiant energy, laser radiation or plasma ; by ultrasonic bonding
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/24—After-treatment of workpieces or articles
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F5/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
- B22F5/04—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product of turbine blades
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y80/00—Products made by additive manufacturing
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
- C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
- C22C19/05—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
- C22C19/051—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W
- C22C19/055—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W with the maximum Cr content being at least 20% but less than 30%
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/24—After-treatment of workpieces or articles
- B22F2003/248—Thermal after-treatment
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Abstract
本发明公开了一种3D打印涡轮叶片的制备方法及涡轮导向叶片，包括以下步骤：(1)、通过三维建模软件建立导向叶片模型；(2)、将步骤(1)中的导向叶片模型导入3D打印设备中，通过选区激光熔化镍基合金粉末，镍基合金粉末的粒度为20μm～50μm，获得导向叶片；(3)、将步骤(2)中的导向叶片进行至少三次热处理，第一次热处理采用加热温度1100℃～1200℃保温2h～3h后空冷；第二次热处理采用加热温度850℃～950℃保温7h～8h后空冷；第三次热处理采用加热温度700℃～850℃保温20h～30h后空冷。本发明的3D打印涡轮叶片的制备方法，通过粒度为20μm～50μm的镍基合金粉末与3D打印技术和选区激光熔化成型技术相结合，并通过热处理工艺，增强涡轮叶片强度和韧性。
Description
技术领域
本发明涉及涡轮叶片制造领域，特别地，涉及一种3D打印涡轮叶片的制备方法。此外，本发明还涉及一种包括上述3D打印涡轮叶片的制备方法得到的涡轮导向叶片。
背景技术
现有燃气轮机使用的燃料部分为焦虑煤气、黄磷尾气等杂质含量较高的气体。由于焦虑煤气、黄磷尾气等气体不仅含有硫，还含有一些杂质，同时进气端的空气里也含有微颗粒尘土、钠盐和钒酸盐有害物质。对于R20燃气轮机所使用的涡轮导向叶片为采用传统的K403合金材料通过精密铸造方法得到的。其在高温条件下，会对涡轮导向叶片造成高温硫化腐蚀和热腐蚀，影响涡轮导向叶片的寿命。另外，涡轮导向叶片叶身的型面直接影响了涡轮排气面积和高温气流通过涡轮导叶的流畅度及通过后的气流方向进而影响涡轮做功，最终影响发电机组的发电量。
燃机涡轮叶片的制造一般先采用熔模铸造出毛坯，再进行去材料机械加工，最后得到所需尺寸的叶片零件。制造周期较长，包括从工装夹具的设计制造，毛坯熔模铸造，到最后的去材料机械加工，其工艺过程复杂且周期长，容易产生质量问题。而且，小批量制造成本较高，除了需要考虑大量工装夹具费用之外，还需要考虑铸造所需的蜡模模具设计制造费、陶瓷型芯的模具设计制造费，以及机械加工所需的磨工夹具设计制造费。现有新型结构的气冷空心叶片内部结构更加复杂，采用熔模铸造的K403合金抗高温硫化腐蚀性能较差，叶片使用寿命较短，且加工精度难以保证。因此，需要一种制造周期短、成本相对低的方法生产出不同型面的涡轮导向叶片，以验证实际工况下不同型面涡轮导向叶片对涡轮做功的影响，进而得到最佳型面的涡轮导向叶片，同时制造出来的叶片需能在高温(＞800℃)高腐蚀(杂质含量和硫含量较高)环境下长时间使用。
发明内容
本发明提供了一种3D打印涡轮叶片的制备方法及涡轮导向叶片，以解决现有制备涡轮叶片方法复杂，成本高，且加工精度难以满足的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种3D打印涡轮叶片的制备方法，包括以下步骤
(1)、通过三维建模软件建立导向叶片模型；
(2)、将步骤(1)中的导向叶片模型导入3D打印设备中，通过选区激光熔化镍基合金粉末，镍基合金粉末的粒度为20μm～50μm，获得导向叶片；
(3)、将步骤(2)中的导向叶片进行至少三次热处理，第一次热处理采用加热温度1100℃～1200℃保温2h～3h后空冷；第二次热处理采用加热温度850℃～950℃保温7h～8h后空冷；第三次热处理采用加热温度700℃～850℃保温20h～30h后空冷。
进一步地，镍基合金粉末激光熔化前进行惰性气体保护；惰性气体采用氩气或氦气。
进一步地，镍基合金粉末的制备包括以下步骤：以质量百分数计的Cr为20％～22％、Co为17.5％～19％、Al为2.5％～3.0％、Ta为2.3％～2.5％、Ti为2.6％～2.8％、W为1.7％～2.1％、C为0.1％～0.15％、Cb为0.8％～1％、Zr为0.05％～0.1％、B为0.005％～0.01％、余量为Ni进行配料，采用真空感应熔炼制备母合金锭；将母合金锭进行均匀化热处理；将热处理的母合金锭加工成为电极棒；将电极棒采用等离子旋转电极法制备成合金粉末，过滤获得镍基合金粉末。
进一步地，母合金锭热处理包括以下步骤：采用四段热处理方式，1100℃～1200℃条件下加热3h～4h后空冷，850℃～950℃条件下加热7h～8h后空冷；750℃～850℃条件下加热20h～25h后空冷，700℃～750℃条件下加热10h～20h后空冷。
进一步地，等离子旋转电极法中电极棒转速为20000r/min～30000r/min，等离子弧电流强度为1500A～2000A，电压为45～55V，采用惰性气体作为保护气体，惰性气体温度控制在-50℃～0℃，工作压力为0.12MPa～0.15MPa。
进一步地，电极棒端部与等离子枪之间的距离为10mm～15mm。
进一步地，电极棒的直径为80mm～100mm，长度为300mm～700mm，圆度偏差小于0.03mm，直线度偏差小于0.03mm/m，粗糙度小于1.5μm。
进一步地，步骤(2)中的激光的设置为：功率为200～350W，扫描速度为4000～6000mm/s，扫描间距为0.08～0.12mm。
根据本发明的另一方面，还提供了一种采用上述3D打印涡轮叶片的制备方法得到的涡轮导向叶片。
进一步地，涡轮导向叶片抗拉强度≥1100MPa，屈服强度≥980MPa，延伸率≥8％；涡轮导向叶片在975℃和加载应力195MPa条件下，持续时间＞2h不断裂。
本发明具有以下有益效果：
本发明的3D打印涡轮叶片的制备方法，将粒度为20μm～50μm的镍基合金粉末与选区激光熔化成型技术相结合，通过3D打印技术实现涡轮叶片的制备，并通过热处理工艺，增强涡轮叶片强度和韧性。上述3D打印涡轮叶片的制备方法实现叶片制造无模具化，其制造周期短，成本低廉。可加工内部结构复杂的零件，加工获得的零件质量可靠性高，尺寸精度高，结构性能稳定。通过3D打印涡轮叶片的制备方法得到的涡轮导向叶片进行燃机现场验证和实际生产验证，验证结果表明，零件的尺寸检测和无损检测符合要求，并且试验燃机已经运行2000多小时，孔探检查显示涡轮导向叶片运行良好，无明显裂纹缺陷产生。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的涡轮导向叶片示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1是本发明优选实施例的涡轮导向叶片示意图。
本实施例的3D打印涡轮叶片的制备方法，包括以下步骤
(1)、通过三维建模软件建立导向叶片模型；
(2)、将步骤(1)中的导向叶片模型导入3D打印设备中，通过选区激光熔化镍基合金粉末，镍基合金粉末的粒度为20μm～50μm，获得导向叶片；
(3)、将步骤(2)中的导向叶片进行至少三次热处理，第一次热处理采用加热温度1100℃～1200℃保温2h～3h后空冷；第二次热处理采用加热温度850℃～950℃保温7h～8h后空冷；第三次热处理采用加热温度700℃～850℃保温20h～30h后空冷。
本发明的3D打印涡轮叶片的制备方法，将粒度为20μm～50μm的镍基合金粉末与3D打印技术和选区激光熔化成型技术相结合，实现涡轮叶片的制备，并通过热处理工艺，增强涡轮叶片强度和韧性。上述3D打印涡轮叶片的制备方法实现叶片制造无模具化，其制造周期短，成本低廉。可加工内部结构复杂的零件，加工获得的零件质量可靠性高，尺寸精度高，结构性能稳定。通过3D打印涡轮叶片的制备方法得到的涡轮导向叶片进行燃机现场验证和实际生产验证，验证结果表明，零件的尺寸检测和无损检测符合要求，并且试验燃机已经运行2000多小时，孔探检查显示涡轮导向叶片运行良好，无明显裂纹缺陷产生。
本实施例中，镍基合金粉末激光熔化前进行惰性气体保护。惰性气体采用氩气或氦气。3D打印所采用的金属材料需要技术粉末纯净度高，颗粒球形度好，粒径分布窄，无明显团聚，无氧含量低。因此，采用氩气或氦气保护，避免形成的零件含有气孔、氧化夹杂物等缺陷，防止氧化，保证零件的加工精度。
本实施例中，镍基合金粉末的制备包括以下步骤：以质量百分数计的Cr为20％～22％、Co为17.5％～19％、Al为2.5％～3.0％、Ta为2.3％～2.5％、Ti为2.6％～2.8％、W为1.7％～2.1％、C为0.1％～0.15％、Cb为0.8％～1％、Zr为0.05％～0.1％、B为0.005％～0.01％、余量为Ni进行配料，采用真空感应熔炼制备母合金锭；将母合金锭进行均匀化热处理；将热处理的母合金锭加工成为电极棒；将电极棒采用等离子旋转电极法制备成合金粉末，过滤获得镍基合金粉末。上述选用Cr为20％～22％、Co为17.5％～19％、Al为2.5％～3.0％、Ta为2.3％～2.5％、Ti为2.6％～2.8％、W为1.7％～2.1％、C为0.1％～0.15％、Cb为0.8％～1％、Zr为0.05％～0.1％、B为0.005％～0.01％、余量为Ni进行配料，通过不同的工艺处理，获得改性的镍基合金粉末，其抗冲击能力和延伸能力获得改善，应力-断裂寿命增加，可实现试验燃机运行2000多小时。上述合金元素的相对含量是通过大量实验得出，依照上述质量百分数可以提高叶片耐高温硫腐蚀，同时适合激光熔覆，有利于采用3D打印方式制造出耐高温硫腐蚀的叶片。
本实施例中，母合金锭热处理包括以下步骤：采用四段热处理方式，1100℃～1200℃条件下加热3h～4h后空冷，850℃～950℃条件下加热7h～8h后空冷；750℃～850℃条件下加热20h～25h后空冷，700℃～750℃条件下加热10h～20h后空冷。通过四段热处理方式，优化各阶段的加热温度和时间，使得镍基合金可以部分溶解铸态γ＇粗晶的固溶处理和在低温时效时弥散细晶粒的二次γ＇相改善应力-断裂性能，缓解应变时效裂纹，使的叶片的应力-断裂塑性和寿命均获得改善。
本实施例中，等离子旋转电极法中电极棒转速为20000r/min～30000r/min，等离子弧电流强度为1500A～2000A，电压为45～55V，采用惰性气体作为保护气体，惰性气体温度控制在-50℃～0℃，工作压力为0.12MPa～0.15MPa。采用等离子旋转电极法制备镍基合金粉末，电极棒转速与镍基合金粉末的粒径成分比例关系，适宜的电极棒转速加工形成粒度分布在20μm～50μm之间的镍基合金粉末。等离子弧电流强度为1500A～2000A，并且随着等离子弧电流强度的增大，粉末平均粒径有明显分化的趋势，但是电流强度增加大一定值时，粉末粒度的分布范围也会随着电流强度的增大而明显增加，因此设置电流强度为1500A～2000A。
本实施例中，电极棒端部与等离子枪之间的距离为10mm～15mm。通常情况下，减小电极棒端部与等离子枪之间的距离，可以提高细粉收得率但是二者距离过小，会加剧等离子枪的损耗，等离子枪的部分材料会发生熔化进入镍基合金粉末，影响粉末质量。因此，设置距离为10mm～15mm，获得镍基合金粉末的粒度主要分布在20μm～50μm之间。上述经过等离子旋转电极法制备得到的镍基合金粉末，在惰性气体保护下，采用超声波振动筛对制得的球形镍基合金粉末进行筛分，控制镍基合金粉末的粒度分布在20μm～50μm之间。球形镍基合金粉末由于线速度及受离心力不一致，最终粉末直径存在粒度分布，粗细不等，需要经过筛分过滤获取粒度分布在20μm～50μm之间的球形镍基合金粉末。
本实施例中，电极棒的直径为80mm～100mm，长度为300mm～700mm，圆度偏差小于0.03mm，直线度偏差小于0.03mm/m，粗糙度小于1.5μm。严格控制电极棒的规格大小，使得满足等离子旋转电极工艺要求。安装在高速旋转的等离子旋转机上的母合金锭，必须标准化成电极棒，直径一致，因此，将母合金锭加工成直径为80mm～100mm，长度为300mm～700mm的电极棒，便于等离子加热熔化，同时具备金属熔化后以较大的线速度甩出形成球形金属液滴后最终下落时变成球形镍基合金粉末。
本实施例中，步骤(2)中的激光的设置为：功率为200～350W，扫描速度为4000～6000mm/s，扫描间距为0.08～0.12mm。上述功率为200～350W，扫描速度为4000～6000mm/s，扫描间距为0.08～0.12mm，采用条带扫描策略，逐层扫描时偏转角度，偏转角在30°～37°之间；光斑直径100μ～140μm，层厚30μ～80μm，基板预热180℃～200℃。激光能量密度越大(激光功率越高、扫描速度越慢、层厚越小，激光能量密度越大)，晶粒更加粗化，常温力学性能会有所下降，但是高温性能会得的显著的提升。激光能量密度越大，可以消除打印层的缺陷，进一步提高零件高温性能。
如图1所示，根据本发明的另一方面，还提供了一种采用上述3D打印涡轮叶片的制备方法得到的涡轮导向叶片。上述3D打印涡轮叶片的制备方法得到的涡轮导向叶片，抗拉强度≥1100MPa，屈服强度≥980MPa，延伸率≥8％。涡轮导向叶片在975℃和加载应力195MPa条件下，持续时间＞2h不断裂。
实施例
实施例1
一种3D打印涡轮叶片的制备方法，包括以下步骤
(1)、通过三维建模软件建立导向叶片模型；
(2)、将步骤(1)中的导向叶片模型导入3D打印设备中，镍基合金粉末的制备包括以下步骤：以质量百分数计的Cr为21％、Co为189％、Al为2.6％、Ta为2.3％、Ti为2.8％、W为1.9％、C为0.12％、Cb为0.9％、Zr为0.05％、B为0.008％、余量为Ni进行配料，采用真空感应熔炼制备母合金锭；
将母合金锭进行均匀化热处理，采用四段热处理方式，1100℃条件下加热4h后空冷，900℃条件下加热8h后空冷；800℃条件下加热24h后空冷，700℃条件下加热19h后空冷；再将热处理的母合金锭加工成为电极棒，电极棒的直径为90mm，长度为600mm，圆度偏差小于0.03mm，直线度偏差小于0.03mm/m，粗糙度小于1.5μm；
将电极棒采用等离子旋转电极法制备获得镍基合金粉末，具体的：等离子旋转电极法中电极棒转速为30000r/min，等离子弧电流强度为1800A，电压为48V，采用惰性气体作为保护气体，惰性气体温度控制在-20℃，工作压力为0.12MPa，电极棒端部与等离子枪之间的距离为12mm，在惰性气体保护下，采用超声波振动筛对制得的球形镍基合金粉末进行筛分，镍基合金粉末的粒度为45μm左右，并将镍基合金粉末置于氩气保护腔内，通过选区激光熔化镍基合金粉末，选区激光熔化设备使用的功率为250W，扫描速度为4800mm/s，扫描间距为0.08mm，进行3D打印，获得导向叶片；
(3)、将步骤(2)中的导向叶片进行三次热处理，第一次热处理采用加热温度1150℃保温2.5h后空冷；第二次热处理采用加热温度850℃保温7h后空冷；第三次热处理采用加热温度700℃保温20h后空冷，获得涡轮导向叶片。
实施例2
一种3D打印涡轮叶片的制备方法，包括以下步骤
(1)、通过三维建模软件建立导向叶片模型；
(2)、将步骤(1)中的导向叶片模型导入3D打印设备中，镍基合金粉末的制备包括以下步骤：以质量百分数计的Cr为21.5％、Co为19％、Al为2.5％％、Ta为2.5％、Ti为2.65％、W为1.8％、C为0.1％、Cb为1％、Zr为0.09％、B为0.005％、余量为Ni进行配料，采用真空感应熔炼制备母合金锭；
将母合金锭进行均匀化热处理，采用四段热处理方式，1200℃条件下加热3h后空冷，920℃条件下加热7.5h后空冷；800℃条件下加热22h后空冷，700℃条件下加热16h后空冷；再将热处理的母合金锭加工成为电极棒，电极棒的直径为100mm，长度为500mm，圆度偏差小于0.03mm，直线度偏差小于0.03mm/m，粗糙度小于1.5μm；
将电极棒采用等离子旋转电极法制备获得镍基合金粉末，具体的：等离子旋转电极法中电极棒转速为27000r/min，等离子弧电流强度为1700A，电压为49V，采用惰性气体作为保护气体，惰性气体温度控制在-30℃，工作压力为0.12MPa，电极棒端部与等离子枪之间的距离为10mm，在惰性气体保护下，采用超声波振动筛对制得的球形镍基合金粉末进行筛分，镍基合金粉末的粒度为36μm左右，并将镍基合金粉末置于氩气保护腔内，通过选区激光熔化镍基合金粉末，选区激光熔化设备使用的功率为300W，扫描速度为5000mm/s，扫描间距为0.1mm，进行3D打印，获得导向叶片；
(3)、将步骤(2)中的导向叶片进行四次热处理，第一次热处理采用加热温度1180℃保温2.6h后空冷；第二次热处理采用加热温度910℃保温7h后空冷；第三次热处理采用加热温度850℃保温20h后空冷，第四次热处理采用加热温度740℃保温12h后空冷，获得涡轮导向叶片。
实施例3
一种3D打印涡轮叶片的制备方法，包括以下步骤
(1)、通过三维建模软件建立导向叶片模型；
(2)、将步骤(1)中的导向叶片模型导入3D打印设备中，镍基合金粉末的制备包括以下步骤：以质量百分数计的Cr为20.7％、Co为17.9％、Al为2.78％、Ta为2.5％、Ti为2.8％、W为2％、C为0.1％、Cb为1％、Zr为0.1％、B为0.009％、余量为Ni进行配料，采用真空感应熔炼制备母合金锭；
将母合金锭进行均匀化热处理，采用四段热处理方式，1200℃条件下加热3h后空冷，940℃条件下加热7h后空冷；780℃条件下加热24h后空冷，700℃条件下加热15h后空冷；再将热处理的母合金锭加工成为电极棒，电极棒的直径为100mm，长度为700mm，圆度偏差小于0.03mm，直线度偏差小于0.03mm/m，粗糙度小于1.5μm；
将电极棒采用等离子旋转电极法制备获得镍基合金粉末，具体的：等离子旋转电极法中电极棒转速为22000r/min，等离子弧电流强度为2000A，电压为52V，采用惰性气体作为保护气体，惰性气体温度控制在-25℃，工作压力为0.15MPa，电极棒端部与等离子枪之间的距离为14mm，在惰性气体保护下，采用超声波振动筛对制得的球形镍基合金粉末进行筛分，镍基合金粉末的粒度为51μm左右，并将镍基合金粉末置于氩气保护腔内，通过选区激光熔化镍基合金粉末，选区激光熔化设备使用的功率为320W，扫描速度为6000mm/s，扫描间距为0.1mm进行3D打印，获得导向叶片；
(3)、将步骤(2)中的导向叶片进行四次热处理，第一次热处理采用加热温度1150℃保温3h后空冷；第二次热处理采用加热温度880℃保温7h后空冷；第三次热处理采用加热温度800℃保温22h后空冷，第四次热处理采用加热温度700℃保温14h后空冷，获得涡轮导向叶片。
对比例1
涡轮叶片的制备方法，包括以下步骤
(1)、通过三维建模软件建立导向叶片模型；
(2)、将步骤(1)中的导向叶片模型导入3D打印设备中，镍基合金粉末的制备包括以下步骤：以质量百分数计的Cr为22.7％、Co为19％、Al为1.9％、Ta为2.5％、Ti为1.4％、W为2％、C为0.16％、Cb为1％、Zr为0.1％、B为0.01％、余量为Ni进行配料，采用真空感应熔炼制备母合金锭；
将母合金锭进行均匀化热处理，1000℃条件下加热30h后空冷；再将热处理的母合金锭加工成为电极棒，电极棒的直径为100mm，长度为700mm，圆度偏差小于0.03mm，直线度偏差小于0.03mm/m，粗糙度小于1.5μm；
将电极棒采用等离子旋转电极法制备获得镍基合金粉末，具体的：等离子旋转电极法中电极棒转速为22000r/min，等离子弧电流强度为2000A，电压为52V，采用惰性气体作为保护气体，惰性气体温度控制在-25℃，工作压力为0.15MPa，电极棒端部与等离子枪之间的距离为14mm，在惰性气体保护下，采用超声波振动筛对制得的球形镍基合金粉末进行筛分，镍基合金粉末的粒度为51μm左右，并将镍基合金粉末置于氩气保护腔内，通过选区激光熔化镍基合金粉末，选区激光熔化设备使用的功率为300W，扫描速度为5000mm/s，扫描间距为0.12mm进行3D打印，获得导向叶片；
(3)、将步骤(2)中的导向叶片进行热处理，1000℃条件下加热30h后空冷，获得涡轮导向叶片。
将实施例1、2和3，对比例1进行力学性能检测，检测结果如表1所示。
表1 实施例和对比例的力学性能测试结果
由表1所知，上述实施例1、2和3的涡轮导向叶片的各项力学性能均优于对比了1的叶片性能。将上述优选的实施例3进行高温持久性能测试，在应力为195MPa，温度为975℃条件下进行蠕变性能试验，涡轮导向叶片持续时间为1h；在应力为510MPa，温度为800℃条件下进行蠕变性能试验，涡轮导向叶片持续时间为4h。本发明3D打印涡轮叶片的制备方法得到的涡轮导向叶片性能优异，使用寿命增长。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种3D打印涡轮叶片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤
(1)、通过三维建模软件建立导向叶片模型；
(2)、将所述步骤(1)中的导向叶片模型导入3D打印设备中，通过选区激光熔化镍基合金粉末，所述镍基合金粉末的粒度为20μm～50μm，获得导向叶片；
(3)、将所述步骤(2)中的导向叶片进行至少三次热处理，第一次热处理采用加热温度1100℃～1200℃保温2h～3h后空冷；第二次热处理采用加热温度850℃～950℃保温7h～8h后空冷；第三次热处理采用加热温度700℃～850℃保温20h～30h后空冷。
2.根据权利要求1所述的3D打印涡轮叶片的制备方法，其特征在于，
所述镍基合金粉末激光熔化前进行惰性气体保护；
所述惰性气体采用氩气或氦气。
3.根据权利要求1所述的3D打印涡轮叶片的制备方法，其特征在于，
所述镍基合金粉末的制备包括以下步骤：
以质量百分数计的Cr为20％～22％、Co为17.5％～19％、Al为2.5％～3.0％、Ta为2.3％～2.5％、Ti为2.6％～2.8％、W为1.7％～2.1％、C为0.1％～0.15％、Cb为0.8％～1％、Zr为0.05％～0.1％、B为0.005％～0.01％、余量为Ni进行配料，采用真空感应熔炼制备母合金锭；
将所述母合金锭进行均匀化热处理；
将所述热处理的母合金锭加工成为电极棒；
将所述电极棒采用等离子旋转电极法制备成合金粉末，过滤获得所述镍基合金粉末。
4.根据权利要求3所述的3D打印涡轮叶片的制备方法，其特征在于，
所述母合金锭热处理包括以下步骤：
采用四段热处理方式，1100℃～1200℃条件下加热3h～4h后空冷，850℃～950℃条件下加热7h～8h后空冷；750℃～850℃条件下加热20h～25h后空冷，700℃～750℃条件下加热10h～20h后空冷。
5.根据权利要求3所述的3D打印涡轮叶片的制备方法，其特征在于，
所述等离子旋转电极法中所述电极棒转速为20000r/min～30000r/min，等离子弧电流强度为1500A～2000A，电压为45～55V，采用惰性气体作为保护气体，所述惰性气体温度控制在-50℃～0℃，工作压力为0.12MPa～0.15MPa。
6.根据权利要求5所述的3D打印涡轮叶片的制备方法，其特征在于，
所述电极棒端部与等离子枪之间的距离为10mm～15mm。
7.根据权利要求3所述的3D打印涡轮叶片的制备方法，其特征在于，
所述电极棒的直径为80mm～100mm，长度为300mm～700mm，圆度偏差小于0.03mm，直线度偏差小于0.03mm/m，粗糙度小于1.5μm。
8.根据权利要求1所述的3D打印涡轮叶片的制备方法，其特征在于，
所述步骤(2)中的激光的设置为：功率为200～350W，扫描速度为4000～6000mm/s，扫描间距为0.08～0.12mm。
9.一种采用权利要求1至8任一项所述的3D打印涡轮叶片的制备方法得到的涡轮导向叶片。
10.根据权利要求9所述的涡轮导向叶片，其特征在于，
所述涡轮导向叶片抗拉强度≥1100MPa，屈服强度≥980MPa，延伸率≥8％；
所述涡轮导向叶片在975℃和加载应力195MPa条件下，持续时间＞2h不断裂。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911042078.9A CN110918987B (zh) | 2019-10-30 | 2019-10-30 | 3d打印涡轮叶片的制备方法和涡轮导向叶片 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911042078.9A CN110918987B (zh) | 2019-10-30 | 2019-10-30 | 3d打印涡轮叶片的制备方法和涡轮导向叶片 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110918987A true CN110918987A (zh) | 2020-03-27 |
| CN110918987B CN110918987B (zh) | 2022-05-03 |
Family
ID=69849840
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201911042078.9A Active CN110918987B (zh) | 2019-10-30 | 2019-10-30 | 3d打印涡轮叶片的制备方法和涡轮导向叶片 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110918987B (zh) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112371996A (zh) * | 2020-10-15 | 2021-02-19 | 航天海鹰(哈尔滨)钛业有限公司 | 一种基于激光选区熔化成形技术制备k418镍基高温合金增压涡轮的方法 |
| CN112605395A (zh) * | 2020-11-24 | 2021-04-06 | 北京星航机电装备有限公司 | 一种gh4099镍基合金构件的激光沉积成形工艺方法 |
| US20210269895A1 (en) * | 2018-11-20 | 2021-09-02 | Nuovo Pignone Tecnologie - S.R.L. | Method for the additive production of an article |
| CN114214554A (zh) * | 2021-11-17 | 2022-03-22 | 哈尔滨工业大学（威海） | 一种镍基高温合金粉末及应用于空心涡轮叶片的制备方法 |
| CN114559054A (zh) * | 2022-03-02 | 2022-05-31 | 北京工业大学 | 一种激光粉末床熔融制备gh99镍基合金成形工艺 |
| CN114653965A (zh) * | 2020-12-23 | 2022-06-24 | 上海电气电站设备有限公司 | 透平空心静叶的选择性激光熔化制造方法 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1401458A (zh) * | 2001-05-15 | 2003-03-12 | 联合工艺公司 | 单晶镍超合金件的修复 |
| EP1903121A1 (en) * | 2006-09-21 | 2008-03-26 | Honeywell International, Inc. | Nickel-based alloys and articles made therefrom |
| CN103068516A (zh) * | 2010-08-05 | 2013-04-24 | 西门子公司 | 用于通过选择性激光熔融制造部件的方法 |
| CN104511589A (zh) * | 2013-09-27 | 2015-04-15 | 阿尔斯通技术有限公司 | 用于通过添加性激光制造来制造金属部件的方法 |
| CN107119211A (zh) * | 2017-06-29 | 2017-09-01 | 西安欧中材料科技有限公司 | 一种3D打印用Ni3Al基合金粉末的制备方法 |
| CN107709586A (zh) * | 2015-08-12 | 2018-02-16 | 山阳特殊制钢株式会社 | 层叠造型用Ni基超合金粉末 |
| WO2018181098A1 (ja) * | 2017-03-29 | 2018-10-04 | 三菱重工業株式会社 | Ｎｉ基合金積層造形体の熱処理方法、Ｎｉ基合金積層造形体の製造方法、積層造形体用Ｎｉ基合金粉末、およびＮｉ基合金積層造形体 |
| CN108866389A (zh) * | 2018-07-19 | 2018-11-23 | 中国科学院金属研究所 | 一种低成本高强抗热腐蚀镍基高温合金及其制备工艺和应用 |
-
2019
- 2019-10-30 CN CN201911042078.9A patent/CN110918987B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1401458A (zh) * | 2001-05-15 | 2003-03-12 | 联合工艺公司 | 单晶镍超合金件的修复 |
| EP1903121A1 (en) * | 2006-09-21 | 2008-03-26 | Honeywell International, Inc. | Nickel-based alloys and articles made therefrom |
| CN103068516A (zh) * | 2010-08-05 | 2013-04-24 | 西门子公司 | 用于通过选择性激光熔融制造部件的方法 |
| CN104511589A (zh) * | 2013-09-27 | 2015-04-15 | 阿尔斯通技术有限公司 | 用于通过添加性激光制造来制造金属部件的方法 |
| CN107709586A (zh) * | 2015-08-12 | 2018-02-16 | 山阳特殊制钢株式会社 | 层叠造型用Ni基超合金粉末 |
| WO2018181098A1 (ja) * | 2017-03-29 | 2018-10-04 | 三菱重工業株式会社 | Ｎｉ基合金積層造形体の熱処理方法、Ｎｉ基合金積層造形体の製造方法、積層造形体用Ｎｉ基合金粉末、およびＮｉ基合金積層造形体 |
| CN107119211A (zh) * | 2017-06-29 | 2017-09-01 | 西安欧中材料科技有限公司 | 一种3D打印用Ni3Al基合金粉末的制备方法 |
| CN108866389A (zh) * | 2018-07-19 | 2018-11-23 | 中国科学院金属研究所 | 一种低成本高强抗热腐蚀镍基高温合金及其制备工艺和应用 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 颜国君: "《金属材料学》", 31 March 2019, 冶金工业出版社 * |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20210269895A1 (en) * | 2018-11-20 | 2021-09-02 | Nuovo Pignone Tecnologie - S.R.L. | Method for the additive production of an article |
| US12065716B2 (en) * | 2018-11-20 | 2024-08-20 | Nuovo Pignone Tecnologie—S.R.L. | Method for the additive production of an article |
| CN112371996A (zh) * | 2020-10-15 | 2021-02-19 | 航天海鹰(哈尔滨)钛业有限公司 | 一种基于激光选区熔化成形技术制备k418镍基高温合金增压涡轮的方法 |
| CN112605395A (zh) * | 2020-11-24 | 2021-04-06 | 北京星航机电装备有限公司 | 一种gh4099镍基合金构件的激光沉积成形工艺方法 |
| CN112605395B (zh) * | 2020-11-24 | 2022-04-22 | 北京星航机电装备有限公司 | 一种gh4099镍基合金构件的激光沉积成形工艺方法 |
| CN114653965A (zh) * | 2020-12-23 | 2022-06-24 | 上海电气电站设备有限公司 | 透平空心静叶的选择性激光熔化制造方法 |
| CN114653965B (zh) * | 2020-12-23 | 2024-03-19 | 上海电气电站设备有限公司 | 透平空心静叶的选择性激光熔化制造方法 |
| CN114214554A (zh) * | 2021-11-17 | 2022-03-22 | 哈尔滨工业大学（威海） | 一种镍基高温合金粉末及应用于空心涡轮叶片的制备方法 |
| CN114559054A (zh) * | 2022-03-02 | 2022-05-31 | 北京工业大学 | 一种激光粉末床熔融制备gh99镍基合金成形工艺 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110918987B (zh) | 2022-05-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110918987B (zh) | 3d打印涡轮叶片的制备方法和涡轮导向叶片 | |
| Zhang et al. | Aerospace materials handbook | |
| CN110153425B (zh) | 一种小间隙闭式铝合金叶轮激光选区熔化成形方法 | |
| CN112893872B (zh) | 一种镍基高温合金激光选区熔化成形的方法 | |
| CN106623959A (zh) | 一种增材制造用Waspalloy球形粉末的制备方法 | |
| CN114054775B (zh) | 时效强化型镍基高温合金3d打印工艺及制得的3d打印件 | |
| CN113020598B (zh) | 一种选区激光熔化成形镍基高温合金及其制备方法 | |
| CN113817935A (zh) | 一种高纯净镍基高温合金及其球形粉末的制备方法 | |
| CN111570812A (zh) | 一种用于3d打印的镍铁基合金球形粉末的制备方法 | |
| CN110629074B (zh) | 一种抗氧化镍基高温合金粉末及其制备方法 | |
| CN114892043B (zh) | 激光增材制造专用高韧性高温镍基合金粉末及其制备方法 | |
| CN114480920B (zh) | 一种3d打印用镍基高温合金粉末及其制备方法和应用 | |
| Xue et al. | Laser consolidation: a novel additive manufacturing process for making net-shape functional metallic components for gas turbine applications | |
| CN113414404B (zh) | 一种增材制造h13钢的方法 | |
| CN116855937B (zh) | 一种截齿及激光熔覆制备截齿的方法 | |
| WO2024119780A1 (zh) | 一种增材制造用高温合金及其增材制造方法 | |
| CN109680184A (zh) | 一种镍基合金粉末材料及该材料的3d打印成型方法 | |
| CN114686732B (zh) | 高温合金修复材料及制备方法、高温合金修复零件的增材再制造方法和再服役评价方法 | |
| CN101480761B (zh) | 一种航空发动机梯度功能涡轮盘坯料的制备方法 | |
| CN110468304A (zh) | 一种镍基合金及其制备方法 | |
| CN114559054A (zh) | 一种激光粉末床熔融制备gh99镍基合金成形工艺 | |
| CN115354194A (zh) | 一种增材修复用镍基高温合金材料及其应用 | |
| CN108246978A (zh) | 一种铸件叠形垂直浇注铸造工艺 | |
| CN101474676B (zh) | 一种航空发动机高温合金涡轮盘坯料的制备方法 | |
| CN114749670A (zh) | 超声冲击和3d打印制备氢能发动机涡轮增压叶片的方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |