CN112705700A - 提高Inconel 718激光沉积层高温强度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了提高Inconel 718激光沉积层高温强度的方法，采用激光沉积法将基于Inconel 718的金属粉末制成激光沉积层，然后进行时效处理。由Inconel 718合金粉末和Mo粉组成，Mo元素的重量百分含量为6.0～7.0wt.％。采用本发明提供的基于Inconel 718的金属粉末制备镍基合金激光沉积层，具有优异的高温力学性能，可有效解决沉积层高温强度低，难以满足高温服役要求等问题。本发明通过微调现有镍基高温合金的Mo元素成分比例实现激光沉积层的耐热高强性能，无需对现有合金的原料及制备工艺进行改变，具有良好的经济效益与应用前景。

Description

提高Inconel 718激光沉积层高温强度的方法

技术领域

本发明属于合金材料技术领域，涉及提高Inconel 718激光沉积层高温强度的方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

镍基高温合金在650～1000℃具有优异的高温强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀性能,主要用于制作航空涡轮发动机叶片、涡轮盘、燃烧室等高温部件。虽然采用镍基合金制造的高温部件性能较为优异，但是制造成本较高，并且使用寿命受热疲劳裂纹、表面磨损和热腐蚀等缺陷的限制。高温部件更换很大程度上影响现代航空发动机和燃气轮机的运行成本，通过对损伤高温零部件进行成形与修复，使其能够重新满足使用需求，将有助于降低成本。然而，由于航空发动机、涡轮盘等零部件结构复杂，采用传统工艺难以实现对零部件的直接成形与修复。

激光沉积技术具有生产周期短、成形精度高、复杂零件自由化设计制造、材料利用率高等优势，在宇航、生物医学等高端装备制造领域具有巨大的发展潜力。镍基合金激光沉积层晶粒细小、组织均匀、不仅在材料性能上可以满足高尖端领域需求，而且其高柔性化特点更是符合复杂形状高性能镍基合金的制造要求。故激光沉积技术是成形与修复镍基合金高端零部件的重要手段。然而，随着航空、航天等高尖端领域对产品力学性能需求的日益增加，对激光沉积镍基合金的高温力学性能特别是高温强度提出了更为苛刻的要求。而据发明人研究发现，激光沉积镍基合金存在元素偏析以及不稳定的脆硬相，进而使成形件产生孔隙、残余应力、裂纹等缺陷，降低成形件的高温强度，最终导致零件损坏失效。因此，如何获得质量良好、高温力学性能更加优异的镍基合金激光沉积层的问题亟待解决。

经过发明人研究了解，目前，提高镍基合金激光沉积层高温性能的方法主要是热处理，虽然热处理在一定程度上可有效提高镍基合金沉积层的高温性能，但是提升区间有限，难以达到高尖端领域设备在苛刻高温环境下的使用要求，且该工艺具有工艺不稳定、耗时、效率低等缺点。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供提高Inconel 718激光沉积层高温强度的方法，采用本发明提供的基于Inconel 718的金属粉末制备镍基合金激光沉积层，具有高温强度更高、耐热性更好等优异的高温性能。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一方面，一种基于Inconel 718的金属粉末，由Inconel 718合金粉末和Mo粉组成，Mo元素的重量百分含量在6.0～7.0wt.％以上。

另一方面，一种上述基于Inconel 718的金属粉末的制备方法，将Inconel 718合金粉末与Mo粉进行混合。

第三方面，一种基于Inconel 718的金属粉末激光沉积层的制备方法，采用激光沉积法将上述基于Inconel 718的金属粉末制得激光沉积层，然后进行时效处理。

第四方面，一种提高Inconel 718激光沉积层高温强度的方法，将Mo粉与Inconel718合金粉末混合，使混合粉末中Mo元素的重量百分含量为6.0～7.0wt.％，采用激光沉积法将混合粉末制成激光沉积层，然后进行时效处理。

本发明向Inconel 718合金粉末中添加Mo粉，使激光沉积原料的金属粉末中，Mo元素的含量增加，而其他元素的比例相对减少，经过时效处理后，Mo元素的增加、其他元素比例相对降低，增强了对激光沉积层中对奥氏体基体的固溶强化作用。其次，高温拉伸性能对裂纹、孔洞等缺陷更为敏感，而Inconel 718激光沉积层中的元素扩散导致孔洞产生，在高温拉伸过程中，孔洞将发展形成裂纹，Mo元素含量提高至6.0wt.％以上时，能够降低元素扩散系数，进而抑制晶界裂纹的萌生与扩展。同时，降低元素扩散系数使得强化相的主要元素(Nb)的初期偏析程度得以减轻，为后续直接时效处理析出更多的强化相提供了元素保障，最终使得激光沉积层的高温力学性能得以提升。

本发明的有益效果为：

本发明通过微调现有Inconel 718粉末的Mo元素成分比例，经时效处理后可明显提高激光沉积层的高温性能，高温抗拉强度可达1201.83MPa。本发明无需对现有合金的原料及制备工艺进行改变，具有良好的经济效益与应用前景。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

鉴于镍基合金粉末经激光沉积后具有较低的高温力学性能，本发明提出了基于Inconel 718的金属粉末及制备方法与应用。

本发明的一种典型实施方式，提供了一种基于Inconel 718的金属粉末，由Inconel 718合金粉末和Mo粉组成，Mo元素的重量百分含量为6.0～7.0wt.％。

该实施方式的一些实施例中，Inconel 718合金粉末的粒径为53～150μm，Mo粉的粒径为76～84μm。

本发明的另一种实施方式，提供了一种上述基于Inconel 718的金属粉末的制备方法，将Inconel 718合金粉末与Mo粉进行混合。

该实施方式的一些实施例中，混合的方式为高能球磨。高能球磨的参数为100～200r/min，球磨的时间为2.6～3.4h，球料比为2:1～2.5:1。

该实施方式的一些实施例中，混合后进行干燥。采用真空干燥的效果更好。真空干燥的温度为116～124℃。真空干燥的时间为1.6～2.4h。

本发明的第三种实施方式，提供了一种基于Inconel 718的金属粉末激光沉积层的制备方法，采用激光沉积法将上述基于Inconel 718的金属粉末制成激光沉积层，然后进行时效处理。

该实施方式的一些实施例中，激光沉积法的激光功率为1.3～1.7kW。当激光功率为1.46～1.54kW时，效果更优。

该实施方式的一些实施例中，激光沉积法的扫描速度为13～14mm/s。当扫描速度为13.30～13.40mm/s时，效果更好。

该实施方式的一些实施例中，激光沉积法的光斑直径2.2～2.6mm。当光斑直径为2.36～2.44mm/s时，具有更好的效果。

该实施方式的一些实施例中，激光沉积法的搭接率35～39％。当搭接率为36.6～37.4mm/s时，效果更好。

该实施方式的一些实施例中，激光沉积法的送粉量15～18g/min。当送粉量为16.30～16.40mm/s时，效果更优。

该实施方式的一些实施例中，激光沉积法的保护气体为氩气。采用的氩气优选为99.99％的高纯氩气。

该实施方式的一些实施例中，激光沉积法采用光纤激光器。

本发明所述的时效处理是指激光沉积层在较高的温度(例如600℃、700℃、750℃等)下放置，其性能、形状、尺寸随时间而变化的热处理工艺。

该实施方式的一些实施例中，时效处理的过程为：先加热至700～750℃处理5～10h，然后冷却至600～650℃处理5～10h，最后采用空气冷却至室温。本发明所述的室温是指室内环境的温度，一般为15～30℃。冷却至600～650℃的方式为：停止加热，不添加任何冷却介质使炉温缓慢下降。

在一种或多种实施例中，先加热至716～724℃处理7.6～8.4h，然后冷却至616～624℃处理7.6～8.4h。

本发明的第四种实施方式，提供了一种提高Inconel 718激光沉积层高温强度的方法，将Mo粉与Inconel 718合金粉末混合，使混合粉末中Mo元素的重量百分含量在6.0wt.％以上，采用激光沉积法将混合粉末制成激光沉积层，然后进行时效处理。

该实施方式的各参数选择与上述各实施方式的参数选择一致。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。

实施例1

(1)配方成分及配比

将粒度53～150μm的Inconel 718粉末(化学成分按照重量百分比计，Mo：3.02％、Cr：19.24％、Fe：16.87％、Nb：4.9％、Ti：1.00％、Al：0.49％、Co：0.12％、Cu：0.05％、C：0.02％、Ni：其余)与粒度为80μm的Mo粉(纯度为99.9％)进行混合。按重量百分比计，Mo元素经过调整后的粉末成分为Mo：8.0％、Cr：18.64％、Fe：16.35％、Nb：4.75％、Ti：0.97％、Al：0.47％、Co:0.12％、Cu:≤0.048％、C：≤0.029％、Ni：其余。

(2)混粉与干燥

采用球磨机以150r/min的转速将两种粉末混合3h，并将混好的粉末放置于120℃的真空干燥箱中干燥2h。

(3)激光沉积

采用光纤激光器，激光沉积工艺参数如下：激光功率为1.5kW，扫描速度13.33mm/s，光斑直径2.4mm，搭接率37％，送粉量16.36g/min，保护气体为99.99的高纯氩气。

(4)直接时效处理

采用“720℃/8h，炉冷至620℃/8h，空冷”的热处理制度对沉积层进行时效处理。

实施例2

按照实施例1所述的方法制备Inconel 718激光沉积层。与实施例1不同的是本实施例按照下述目标成分进行配料，以重量百分比计，Mo元素经过调整后的粉末成分为Mo：6.5％、Cr：18.54％、Fe：16.26％、Nb:4.72％、Ti：0.96％、Al：0.47％、Co:0.12％、Cu:≤0.048％、C：≤0.029％、Ni:其余。

实施例3

按照实施例1所述的方法制备Inconel 718激光沉积层。与实施例1不同的是本实施例按照下述目标成分进行配料，以重量百分比计，Mo元素经过调整后的粉末成分为Mo：7.0％、Cr：18.45％、Fe：16.17％、Nb:4.70％、Ti：0.96％、Al：0.47％、Co:0.11％、Cu:≤0.048％、C：≤0.029％、Ni:其余。

实施例4

按照实施例1所述的方法制备Inconel 718激光沉积层。与实施例1不同的是本实施例按照下述目标成分进行配料，以重量百分比计，Mo元素经过调整后的粉末成分为Mo：5.5％、Cr：18.75％、Fe：16.44％、Nb：4.77％、Ti：0.97％、Al：0.47％、Co：0.12％、Cu：≤0.048％、C：≤0.029％、Ni:其余。

实施例5

按照实施例1所述的方法制备Inconel 718激光沉积层。与实施例1不同的是本实施例按照下述目标成分进行配料，以重量百分比计，Mo元素经过调整后的粉末成分为Mo：7.5％、Cr：18.35％、Fe：16.08％、Nb：4.68％、Ti：0.95％、Al：0.47％、Co：0.11％、Cu：≤0.048％、C：≤0.029％、Ni:其余。

对采用标准粉末所制备的沉积层以及本发明3个实施例制备的沉积层进行高温拉伸试样的选取。采用高温拉伸试验机对直接时效处理后的Inconel 718沉积层进行600℃的拉伸性能测试，拉伸环境温度600℃。高温性能测试结果见表1。

表1具体实施例及对应的高温性能

结果分析

根据表1，相比于标准粉末成分，增加Mo元素比例的Inconel 718沉积层高温抗拉强度提升300.49～439.64MPa，断裂强度提升384.91～572.51MPa。随着Mo元素比例的增大，高温抗拉强度与断裂强度逐渐增大。这是因为经时效热处理后，随着Inconel 718中Mo元素含量的提高，增强了对奥氏体基体的固溶强化作用。此外，高温拉伸性能对裂纹、孔洞等缺陷更为敏感，而Inconel 718沉积层中的元素扩散将导致孔洞产生，在高温拉伸过程中，孔洞将发展形成裂纹，Mo元素通过降低元素扩散系数进而抑制晶界裂纹的萌生与扩展。同时，元素扩散系数的降低，将导致Nb元素(强化相的主要元素)的初期偏析程度得以减轻，为后续直接时效处理析出更多的强化相提供了元素保障，最终使得激光沉积层的高温力学性能得以提升。

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)

1.一种基于Inconel 718的金属粉末，其特征是，由Inconel 718合金粉末和Mo粉组成，Mo元素的重量百分含量为6.0～7.0wt.％。

2.如权利要求1所述的基于Inconel 718的金属粉末，其特征是Inconel 718合金粉末的粒径为53～150μm，Mo粉的粒径为76～84μm。

3.一种权利要求1或2所述的基于Inconel 718的金属粉末的制备方法，其特征是，将Inconel 718合金粉末与Mo粉进行混合。

4.如权利要求3所述的基于Inconel 718的金属粉末的制备方法，其特征是，混合的方式为高能球磨；优选的，球磨的参数为100～200r/min；优选的，球磨的时间为2.6～3.4h；球料比为2:1～2.5:1。

5.如权利要求3所述的基于Inconel 718的金属粉末的制备方法，其特征是，混合后进行干燥；优选的，采用真空干燥；进一步优选的，真空干燥的温度为116～124℃；进一步优选的，真空干燥的时间为1.6～2.4h。

6.一种激光沉积层的制备方法，其特征是，采用激光沉积法将权利要求1或2所述的基于Inconel 718的金属粉末制成激光沉积层，然后进行时效处理。

7.如权利要求6所述的激光沉积层的制备方法，其特征是，激光沉积法的激光功率为1～2kW；优选的，激光功率为1.46～1.54kW；

或，激光沉积法的扫描速度为13～14mm/s；优选的，扫描速度为13.30～13.40mm/s；

或，激光沉积法的光斑直径2.2～2.6mm；优选的，光斑直径为2.36～2.44mm/s。

8.如权利要求6所述的激光沉积层的制备方法，其特征是，激光沉积法的搭接率35～39％；优选的，搭接率为36.6～37.4mm/s；

或，激光沉积法的送粉量15～18g/min；优选的，送粉量为16.30～16.40mm/s；

或，激光沉积法的保护气体为氩气。

9.如权利要求6所述的激光沉积层的制备方法，其特征是，时效处理的过程为：先加热至700～750℃处理5～10h，然后冷却至600～650℃处理5～10h，最后采用空气冷却至室温；优选的，先加热至716～724℃处理7.6～8.4h，然后冷却至616～624℃处理7.6～8.4h。

10.一种提高Inconel 718激光沉积层高温强度的方法，其特征至，将Mo粉与Inconel718合金粉末混合，使混合粉末中Mo元素的重量百分含量为6.0～7.0wt.％，采用激光沉积法将混合粉末制成激光沉积层，然后进行时效处理。