CN111570812B - 一种用于3d打印的镍铁基合金球形粉末的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于3D打印的镍铁基合金球形粉末的制备方法，包括以下步骤：步骤1)按照质量分数为：44.77～51.5％Ni、18～20％Fe、21.0～22.5％Cr、1.0～2.0％Co、8.0～9.5％Mo、0.5～1.0％W、0～0.02％C、0～0.01％Mn、0～0.2％Si的化学成分配比进行配料；步骤2)将步骤1)的配料采用真空感应熔炼水平连铸工艺制备成合金锭，切除合金锭头部的缩孔缺陷，接着机加工成电极棒；步骤3)将步骤2)的电极棒置于等离子旋转电极制粉机内，形成金属球形粉末；步骤4)在高纯氩气保护下，采用超声波振动筛对制得的金属球形粉末进行筛分处理，得到用于3D打印的镍铁基合金球形粉末。
Description
技术领域
本发明属于有色金属粉末制备技术领域，尤其涉及一种用于3D打印的镍铁基合金球形粉末的制备方法。
背景技术
现阶段金属3D打印技术快速发展，在航空航天领域取得了广泛的应用。在航空航天领域3D打印最大的应用案例是GE公司的LEAP发动机燃油喷嘴，GE公司采用激光选区熔化(Selective LaserMelting，简称SLM)技术对燃油喷嘴构件进行了重新优化设计和制造，零件数由20个减小到1个，重量减轻25％，寿命提高了5倍。在此基础上，GE已开始对整个航空发动机进行3D打印重新设计制造，并取得了显著成效。在国内也对燃油喷嘴等零部件进行了基于增材制造的结构优化，燃油喷嘴实现小批量试制，并通过了装机考核。
据了解，GE公司LEAP发动机燃油喷嘴等燃烧室关键构件采用的合金主要为美国HAYNES公司开发的Hastelloy X合金，国内对应合金牌号为GH3536，该合金是一种主要用铬和钼固溶强化的镍铁基高温合金，具有良好的抗氧化和耐腐蚀性能，在900℃以下有中等到的持久和蠕变强度，短时工作温度达到1080℃。该合金在国外航空发动机和民用工业中获得了极为广泛的应用，我国主要用于制造燃烧室部件、整流器等精密铸件及蜂窝结构等。GH3536合金是采用SLM技术制备航空航天用复杂构件的理想材料，由于GH3536合金中强化元素的含量和种类较多，合金化程度较高，合金的铸锭偏析严重，采用传统的变形和铸造工艺，加工塑性随高温强度的提高而降低，热加工性能差，成型及加工困难。因此，采用SLM技术制备GH3536合金材料不仅可以制造成分均匀的复杂构件，改善加工性能，也可进一步控制原材料成本、提高生产效率。
但是，由于GH3536合金是针对传统变形加工技术而研发的一种含铁量较高的镍基高温合金，且其成分范围较宽，某些成分范围并不适用于激光选区熔化等3D打印技术。因此，探明合金元素含量与激光成形后合金力学性能的关系，在此基础上，针对激光选区熔化的工艺特点，改进GH3536的合金成分，将对实际生产产生重要的实际意义，现有技术中还没有能应用于3D打印技术的镍铁基合金，也没有对镍铁基合金球形粉末的研究。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种用于3D打印的镍铁基合金球形粉末的制备方法，克服了现有技术中1：现有GH3536合金其成分范围较宽，某些成分范围并不适用于激光选区熔化等3D打印技术；2：现有技术中还没有能应用于3D打印技术的镍铁基合金；3：现有技术中也没有对镍铁基合金球形粉末的研究等问题。
为了解决技术问题，本发明的技术方案是：一种用于3D打印的镍铁基合金球形粉末的制备方法，包括以下步骤：
步骤1)按照质量分数为：44.77～51.5％Ni、18～20％Fe、21.0～22.5％Cr、1.0～2.0％Co、8.0～9.5％Mo、0.5～1.0％W、0～0.02％C、0～0.01％Mn、0～0.2％Si的化学成分配比进行配料；
步骤2)将步骤1)的配料采用真空感应熔炼水平连铸工艺制备成合金锭，切除合金锭头部的缩孔缺陷，接着机加工成电极棒；
步骤3)将步骤2)的电极棒置于等离子旋转电极制粉机内，抽真空并充入高纯氩氦混合气体，将等离子枪功率调至60～70kW，用等离子弧加热电极棒端面使电极棒端面熔化，并使电极棒高速旋转，在离心力作用下将熔化金属甩出形成金属液滴，金属液滴在飞行过程中受表面张力作用球化并凝固，形成金属球形粉末；
步骤4)在高纯氩气保护下，采用超声波振动筛对制得的金属球形粉末进行筛分处理，得到用于3D打印的镍铁基合金球形粉末。
优选的，所述步骤2)中合金锭直径为60～65mm，电极棒的直径为55～60mm，长度为550～700mm。
优选的，所述步骤3)中等离子枪到电极棒端面距离为28～33mm，电极棒的转速为26000～30000r/min。
优选的，所述步骤4)中筛分处理的筛网目数为：270目和325目，得到金属球形粉末的粒径分别为0～45μm和45～53μm，接着采用真空双锥混合机将0～45μm和45～53μm的金属球形粉末按照4:1～5:1的重量比例进行混合，使0～45μm的金属球形粉末占比大于80％。
相对于现有技术，本发明的优点在于：
(1)本发明通过降低C含量，将C元素范围减少到0～0.02％，减弱了合金中碳化物形成倾向，避免合金中碳化物向粉末颗粒边界处偏聚形成碳化物网状结构，该结构会使合金高温拉伸和持久性能显著下降，因此本发明减少C元素可有效提高合金高温拉伸和持久性能；
(2)本发明通过降低Mn含量，将Mn元素范围减少到0～0.02％，由于Mn元素的沸点及饱和蒸气压较低，在旋转电极制粉过程中，极易挥发并附着在粉末颗粒表面，对粉末造成污染，因此减少Mn元素范围可以避免Mn元素的挥发对粉末造成的污染；
(3)本发明通过将大部分合金元素的范围缩小到一个更加合理的范围内，有效提高了合金的批次稳定性；本发明通过真空感应熔炼水平连铸的方法制备合金锭，可以有效去除合金中气体杂质，并显著降低合金中缩孔尺寸，提高铸态棒材冶金质量；
(4)本发明通过对0～45μm和45～53μm的粉末按照一定比例进行配比，有效控制粉末整体粒度分布，实现细粉最大限度填充粗粉空隙，提高粉末松装密度。
说明书附图
图1、本发明制粉后金属球形粉末的扫描电镜图；
图2、本发明两种金属球形粉末混合前后粉末松装密度对比图。
具体实施方式
下面结合附图实施例描述本发明具体实施方式：
需要说明的是，本说明书所示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例1
本发明公开了一种用于3D打印的镍铁基合金球形粉末的制备方法，包括以下步骤：
步骤1)按照质量分数为：44.77～51.5％Ni、18～20％Fe、21.0～22.5％Cr、1.0～2.0％Co、8.0～9.5％Mo、0.5～1.0％W、0～0.02％C、0～0.01％Mn、0～0.2％Si的化学成分配比进行配料；
步骤2)将步骤1)的配料采用真空感应熔炼水平连铸工艺制备成合金锭，切除合金锭头部的缩孔缺陷，接着机加工成电极棒；
步骤3)将步骤2)的电极棒置于等离子旋转电极制粉机内，抽真空并充入高纯氩氦混合气体，将等离子枪功率调至60～70kW，用等离子弧加热电极棒端面使电极棒端面熔化，并使电极棒高速旋转，在离心力作用下将熔化金属甩出形成金属液滴，金属液滴在飞行过程中受表面张力作用球化并凝固，形成金属球形粉末；
步骤4)在高纯氩气保护下，采用超声波振动筛对制得的金属球形粉末进行筛分处理，得到用于3D打印的镍铁基合金球形粉末。
实施例2
本发明公开了一种用于3D打印的镍铁基合金球形粉末的制备方法，包括以下步骤：
步骤1)按照质量分数为：44.77～51.5％Ni、18～20％Fe、21.0～22.5％Cr、1.0～2.0％Co、8.0～9.5％Mo、0.5～1.0％W、0～0.02％C、0～0.01％Mn、0～0.2％Si的化学成分配比进行配料；
步骤2)将步骤1)的配料采用真空感应熔炼水平连铸工艺制备成合金锭，切除合金锭头部的缩孔缺陷，接着机加工成电极棒；
步骤3)将步骤2)的电极棒置于等离子旋转电极制粉机内，抽真空并充入高纯氩氦混合气体，将等离子枪功率调至60～70kW，用等离子弧加热电极棒端面使电极棒端面熔化，并使电极棒高速旋转，在离心力作用下将熔化金属甩出形成金属液滴，金属液滴在飞行过程中受表面张力作用球化并凝固，形成金属球形粉末；
步骤4)在高纯氩气保护下，采用超声波振动筛对制得的金属球形粉末进行筛分处理，得到用于3D打印的镍铁基合金球形粉末。
优选的，所述步骤2)中合金锭直径为60～65mm，电极棒的直径为55～60mm，长度为550～700mm。
实施例3
本发明公开了一种用于3D打印的镍铁基合金球形粉末的制备方法，包括以下步骤：
步骤1)按照质量分数为：44.77～51.5％Ni、18～20％Fe、21.0～22.5％Cr、1.0～2.0％Co、8.0～9.5％Mo、0.5～1.0％W、0～0.02％C、0～0.01％Mn、0～0.2％Si的化学成分配比进行配料；
步骤2)将步骤1)的配料采用真空感应熔炼水平连铸工艺制备成合金锭，切除合金锭头部的缩孔缺陷，接着机加工成电极棒；
步骤3)将步骤2)的电极棒置于等离子旋转电极制粉机内，抽真空并充入高纯氩氦混合气体，将等离子枪功率调至60～70kW，用等离子弧加热电极棒端面使电极棒端面熔化，并使电极棒高速旋转，在离心力作用下将熔化金属甩出形成金属液滴，金属液滴在飞行过程中受表面张力作用球化并凝固，形成金属球形粉末；
步骤4)在高纯氩气保护下，采用超声波振动筛对制得的金属球形粉末进行筛分处理，得到用于3D打印的镍铁基合金球形粉末。
优选的，所述步骤2)中合金锭直径为60～65mm，电极棒的直径为55～60mm，长度为550～700mm。
优选的，所述步骤3)中等离子枪到电极棒端面距离为28～33mm，电极棒的转速为26000～30000r/min。
优选的，所述步骤4)中筛分处理的筛网目数为：270目和325目，得到金属球形粉末的粒径分别为0～45μm和45～53μm，接着采用真空双锥混合机将0～45μm和45～53μm的金属球形粉末按照4:1～5:1的重量比例进行混合，使0～45μm的金属球形粉末占比大于80％。
实施例4
步骤1)按照质量分数为：44.77％Ni、20％Fe、22.5％Cr、2.0％Co、9.5％Mo、1.0％W、0.02％C、0.01％Mn、0.2％Si的化学成分配比进行配料；
步骤2)将步骤1)的配料采用真空感应熔炼水平连铸工艺制备成合金锭，切除合金锭头部的缩孔缺陷，接着机加工成电极棒；其中合金锭直径为60～65mm，电极棒的直径为55～60mm，长度为550～700mm
步骤3)将步骤2)的电极棒置于等离子旋转电极制粉机内，抽真空并充入高纯氩氦混合气体，将等离子枪功率调至60～70kW，用等离子弧加热电极棒端面使电极棒端面熔化，并使电极棒高速旋转，在离心力作用下将熔融金属甩出形成金属液滴，金属液滴在飞行过程中受表面张力作用球化并凝固，形成金属球形粉末；其中等离子枪到电极棒端面距离为28～33mm，电极棒转速为26000～30000r/min
步骤4)在高纯氩气保护下，采用超声波振动筛对制得的球形粉末进行筛分处理，得到球形粉末，其中筛分处理的筛网目数为：270目和325目，得到金属球形粉末的粒径分别为0～45μm和45～53μm，接着采用真空双锥混合机将0～45μm和45～53μm的金属球形粉末按照4:1的重量比例进行混合，使0～45μm的金属球形粉末占比大于80％。
实施例5
步骤1)按照质量分数为：51.5％Ni、18％Fe、21.0％Cr、1.0％Co、8.0％Mo、0.47％W、0.01％C、0.01％Mn、0.01％Si的化学成分配比进行配料；
步骤2)将步骤1)的配料采用真空感应熔炼水平连铸工艺制备成合金锭，切除合金锭头部的缩孔缺陷，接着机加工成电极棒；其中合金锭直径为60～65mm，电极棒的直径为55～60mm，长度为550～700mm
步骤3)将步骤2)的电极棒置于等离子旋转电极制粉机内，抽真空并充入高纯氩氦混合气体，将等离子枪功率调至60～70kW，用等离子弧加热电极棒端面使电极棒端面熔化，并使电极棒高速旋转，在离心力作用下将熔融金属甩出形成金属液滴，金属液滴在飞行过程中受表面张力作用球化并凝固，形成金属球形粉末；其中等离子枪到电极棒端面距离为28～33mm，电极棒转速为26000～30000r/min
步骤4)在高纯氩气保护下，采用超声波振动筛对制得的球形粉末进行筛分处理，得到球形粉末，其中筛分处理的筛网目数为：270目和325目，得到金属球形粉末的粒径分别为0～45μm和45～53μm，接着采用真空双锥混合机将0～45μm和45～53μm的金属球形粉末按照5:1的重量比例进行混合，使0～45μm的金属球形粉末占比大于80％。
实施例6
步骤1)按照质量分数为：48.5％Ni、18.5％Fe、21.5％Cr、1.5％Co、9.0％Mo、0.77％W、0.02％C、0.01％Mn、0.2％Si的化学成分配比进行配料；
步骤2)将步骤1)的配料采用真空感应熔炼水平连铸工艺制备成合金锭，切除合金锭头部的缩孔缺陷，接着机加工成电极棒；其中合金锭直径为60～65mm，电极棒的直径为55～60mm，长度为550～700mm
步骤3)将步骤2)的电极棒置于等离子旋转电极制粉机内，抽真空并充入高纯氩氦混合气体，将等离子枪功率调至60～70kW，用等离子弧加热电极棒端面使电极棒端面熔化，并使电极棒高速旋转，在离心力作用下将熔融金属甩出形成金属液滴，金属液滴在飞行过程中受表面张力作用球化并凝固，形成金属球形粉末；其中等离子枪到电极棒端面距离为28～33mm，电极棒转速为26000～30000r/min
步骤4)在高纯氩气保护下，采用超声波振动筛对制得的球形粉末进行筛分处理，得到球形粉末，其中筛分处理的筛网目数为：270目和325目，得到金属球形粉末的粒径分别为0～45μm和45～53μm，接着采用真空双锥混合机将0～45μm和45～53μm的金属球形粉末按照4:1的重量比例进行混合，使0～45μm的金属球形粉末占比大于80％。
如图1所示，对实施例4～6得到的金属球形粉末进行电镜扫描，扫描电镜可以看出粉末形貌为规则球形，表面光洁无污染，粒径分布为粗细搭配，其中细粒径粉末占比较高，有助于细粉填充粗粉空隙，得到高纯净度的球形镍铁基合金粉末，说明所制得的合金球形粉末具有高纯净度、高球形度，并且粒径粗细搭配。
如图2所示，混合前后粉末松装密度对比图，说明混合配比后的金属球形粉末松装密度有所提高，从数据角度，两种粒径混合后粉末的松装密度为4.88g/cm3，高于混合前两种粒度的金属球形粉末松装密度，说明按4:1～5:1的重量比例混合后金属球形粉末松装密度有所提高。
本发明通过降低C含量，将C元素范围减少到0～0.02％，减弱了合金中碳化物形成倾向，避免合金中碳化物向粉末颗粒边界处偏聚形成碳化物网状结构，该结构会使合金高温拉伸和持久性能显著下降，因此本发明减少C元素可有效提高合金高温拉伸和持久性能。
本发明通过降低Mn含量，将Mn元素范围减少到0～0.02％，由于Mn元素的沸点及饱和蒸气压较低，在旋转电极制粉过程中，极易挥发并附着在粉末颗粒表面，对粉末造成污染，因此减少Mn元素范围可以避免Mn元素的挥发对粉末造成的污染。
本发明通过将大部分合金元素的范围缩小到一个更加合理的范围内，有效提高了合金的批次稳定性；本发明通过真空感应熔炼水平连铸的方法制备合金锭，可以有效去除合金中气体杂质，并显著降低合金中缩孔尺寸，提高铸态棒材冶金质量。
本发明通过对0～45μm和45～53μm的粉末按照一定比例进行配比，有效控制粉末整体粒度分布，实现细粉最大限度填充粗粉空隙，提高粉末松装密度。
上面对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。
Claims (4)
1.一种用于3D打印的镍铁基合金球形粉末的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)按照质量分数为：44.77～51.5％Ni、18～20％Fe、21.0～22.5％Cr、1.0～2.0％Co、8.0～9.5％Mo、0.5～1.0％W、0～0.02％C、0～0.01％Mn、0～0.2％Si的化学成分配比进行配料；
步骤2)将步骤1)的配料采用真空感应熔炼水平连铸工艺制备成合金锭，切除合金锭头部的缩孔缺陷，接着机加工成电极棒；
步骤3)将步骤2)的电极棒置于等离子旋转电极制粉机内，抽真空并充入高纯氩氦混合气体，将等离子枪功率调至60～70kW，用等离子弧加热电极棒端面使电极棒端面熔化，并使电极棒高速旋转，在离心力作用下将熔化金属甩出形成金属液滴，金属液滴在飞行过程中受表面张力作用球化并凝固，形成金属球形粉末；
步骤4)在高纯氩气保护下，采用超声波振动筛对制得的金属球形粉末进行筛分处理，得到用于3D打印的镍铁基合金球形粉末。
2.根据权利要求1所述的一种用于3D打印的镍铁基合金球形粉末的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中合金锭直径为60～65mm，电极棒的直径为55～60mm，长度为550～700mm。
3.根据权利要求1所述的一种用于3D打印的镍铁基合金球形粉末的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中等离子枪到电极棒端面距离为28～33mm，电极棒的转速为26000～30000r/min。
4.根据权利要求1所述的一种用于3D打印的镍铁基合金球形粉末的制备方法，其特征在于：所述步骤4)中筛分处理的筛网目数为：270目和325目，得到金属球形粉末的粒径分别为0～45μm和45～53μm，接着采用真空双锥混合机将0～45μm和45～53μm的金属球形粉末按照4:1～5:1的重量比例进行混合，使0～45μm的金属球形粉末占比大于80％。
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