CN112743072B - 一种用于增材制造的NiAl粉末材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于增材制造的NiAl粉末材料及其制备方法，该NiAl粉末材料由Sc元素掺混的NiAl合金组成；所述NiAl粉末材料的粒径为15～125μm；所述Sc元素对NiAl合金中的Al进行变质处理以实现晶粒细化。通过添加Sc元素，使得NiAl合金中Al元素与Sc元素结合，形成Al3Sc颗粒，在NiAl合金成型过程中细化晶粒，生成细晶组织，以增强NiAl粉末材料的塑性，提升NiAl后加工性能。该制备方法包括NiAl合金预处理、配置Al‑Sc中间合金、熔炼和雾化等步骤，工艺简单，适于大规模生产，且制备的NiAl粉末材料能很好的应用于增材制造。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，尤其是一种用于增材制造的NiAl粉末材料及其制备方法。
背景技术
增材制造技术是快速成型技术的一种，它是一种以三维模型为基础，运用金属粉末或者塑料等可粘合材料，通过逐层扫描，层层堆垛的方式来构造出立体三维零件的技术。该技术结合了CAD/CAM、光学、数控及材料科学等各类学科，应用领域非常广泛，在珠宝、医疗、鞋类、工业设计、建筑、航空航天、汽车、教育等都有应用前景。
在材料科学日益发展的现代，对高端金属材料提出了更高的要求，如飞机、火箭发动机和燃气轮机方面，为提高工作效率均需要提高工作温度。而钴基、镍基等传统的耐高温合金几乎已达到其性能的极限，难以满足更高温度下的使用需求。而有序金属间化合物因其具有强度大、熔点高、比重轻的特点，尤其在1000℃的高温环境中仍保持较高的强度和腐蚀抗力等优异性能，使之成为最具潜力的新型高温合金。
金属间化合物主要是指不同金属元素组成的有序固溶体，是指不同种类的原子长程有序排列构成的有较确定化学当量比的合金相。它们的结构特点决定了它们不仅有良好的高温强度，较好的抗氧化性和抗腐蚀性，而且密度小，是理想的航天航空材料，当前研究较多的金属间化合物有TiAl、Ti3Al、NiAl、Ni3Al、FeAl、Fe3Al等。然而，由于金属间化合物的室温塑性和韧性一般，加工性能较差，一般室温拉伸测试延伸率≤2％，所以，一直限制着金属间化合物材料的实际应用。
现有技术中，高强、高耐热的NiAl金属间化合物材料在结构件等领域具有广泛的应用前景，无论是与稀土元素粉末共混的粉末冶金方法，还是采用气相沉积或者热喷涂的方法，都没有解决其制备高性能结构件的问题，如何解决其制备高性能结构件的大规模生产问题和性能问题，是目前行业的技术空白点。
发明内容
本发明提供一种用于增材制造的NiAl粉末材料及其制备方法，用于克服现有技术中难以实现大规模生产和产品性能不足等缺陷。
为实现上述目的，本发明提出一种用于增材制造的NiAl粉末材料，所述NiAl粉末材料由Sc元素掺混的NiAl合金组成；所述NiAl粉末材料的粒径为15～125μm；所述Sc元素对NiAl合金中的Al进行变质处理以实现晶粒细化。
为实现上述目的，本发明还提出一种用于增材制造的NiAl粉末材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：选取NiAl合金，并对所述NiAl合金进行预处理；
S2：配置Sc元素对应的Al-Sc中间合金，配置与所述Al-Sc中间合金中Al适配的Ni锭以使Al、Ni二者比例与所述NiAl合金一致；
S3：对所述NiAl合金、Ni锭和Al-Sc中间合金进行分阶段熔炼，然后雾化，获得粒径为15～125μm的混合粉末；
S4：按增材制造粉末要求对所述进行混合粉末分级，获得NiAl粉末材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果有：
1、本发明提供的用于增材制造的NiAl粉末材料由Sc元素掺混的NiAl合金组成；所述NiAl粉末材料的粒径为15～125μm；所述Sc元素对NiAl合金中的Al进行变质处理以实现晶粒细化。通过添加Sc元素，使得NiAl合金中Al元素与Sc元素结合，形成Al3Sc颗粒，在NiAl合金成型过程中细化晶粒，生成细晶组织，以增强NiAl粉末材料的塑性，提升NiAl后加工性能。
2、本发明提供的用于增材制造的NiAl粉末材料的制备方法通过向NiAl合金中添加适量的Sc元素，可以有效地改善合金韧性，同时通过气雾化工艺使得合金组织形成含高Sc的NiAl合金材料，最大限度的实现Sc元素的强化效果，粉末制备和增材制造过程中Sc元素对NiAl合金中的Al进行变质处理，对NiAl合金进行晶粒细化以增强材料的力学性能。同时，在零件加工完成后，通过适当的热处理工艺，将过饱和的Sc元素析出，形成Al3Sc第二相，进一步提升NiAl合金力学性能。本发明提供的制备方法工艺简单，适于大规模生产，且制备的NiAl粉末材料能很好的应用于增材制造。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
无特殊说明，所使用的药品/试剂均为市售。
本发明提出一种用于增材制造的NiAl粉末材料，所述NiAl粉末材料由Sc元素掺混的NiAl合金组成；所述NiAl粉末材料的粒径为15～125μm；所述Sc元素对NiAl合金中的Al进行变质处理以实现晶粒细化。
优选地，所述Sc元素的掺混量为NiAl粉末材料质量的0.3～1.0％。通过向NiAl合金中添加适量的Sc元素，可以有效地改善合金韧性，提高其后加工性能。
本发明还提出一种用于增材制造的NiAl粉末材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：选取NiAl合金，并对所述NiAl合金进行预处理；
S2：配置Sc元素对应的Al-Sc中间合金，配置与所述Al-Sc中间合金中Al适配的Ni锭以使Al、Ni二者比例与所述NiAl合金一致；
S3：对所述NiAl合金、Ni锭和Al-Sc中间合金进行分阶段熔炼，然后雾化，获得粒径为15～125μm的混合粉末；
S4：按增材制造粉末要求对所述进行混合粉末分级，获得NiAl粉末材料。
优选地，在步骤S1中，所述预处理包括：
对NiAl合金进行表面氧化层打磨，抛光和真空干燥，以去除杂质和水分，以精确控制NiAl粉末材料中各元素的比例。
优选地，在步骤S2中，所述Sc元素的掺混量为NiAl粉末材料质量的0.3～1.0％。
优选地，在步骤S3中，所述分阶段熔炼具体为：
先将Ni锭升温至1450～1700℃，待Ni锭熔化后，加入NiAl合金，保温3～10min后加入Al-Sc中间合金，保温2～8min。
优选地，在步骤S3中，所述分阶段熔炼具体为：
先将Ni锭升温至1500～1550℃，待Ni锭熔化后，加入NiAl合金，保温3～5min后加入Al-Sc中间合金，保温3～5min。
优选地，在步骤S3中，所述分阶段熔炼具体为：
先将NiAl合金和Ni锭置于熔炼室内，保持熔炼室正压≥30Kpa以减少Al元素挥发烧损，升温至750～850℃，待熔液变红后将温度从750～850℃升温至1500℃，待NiAl合金和Ni锭完全熔化且温度稳定后，加入Al-Sc中间合金，保温2～8min。
优选地，在步骤S3中，所述雾化的压力为4.0MPa，雾化时熔炼室正压15Kpa。
本发明还提供一种NiAl合金部件，其采用上述的NiAl粉末通过3D打印制备得到。
实施例1
本实施例提供一种用于增材制造的NiAl粉末材料，由Sc元素掺混的NiAl合金组成，该NiAl粉末材料的粒径为15～53μm；Sc元素对NiAl合金中的Al进行变质处理以实现晶粒细化。
本实施例中，Sc元素的掺混量为NiAl粉末材料质量的0.7％。
本实施例还提供一种上述所述用于增材制造的NiAl粉末材料的制备方法，包括以下步骤：
1)配料：合金原料使用高纯的NiAl合金锭。在投料前进行表面氧化层打磨，抛光，放入真空干燥箱120℃干燥3h，备用。
同时，配置0.7％的Sc元素对应的Al-Sc2.0％中间合金备用，配置与所述Al-Sc中间合金中Al适配的Ni锭以使Al、Ni二者比例与所述NiAl合金一致；
2)熔炼及雾化制粉：配料完成后按照NiAl合金雾化工艺进行熔炼雾化，熔炼前在坩埚中加入Ni锭，升温至1500℃，待Ni锭熔化后，加入NiAl合金，保温3～5min后加入Al-Sc中间合金，保温3～5min，进行雾化；
3)粉末分级：按增材制造粉末要求对粉末材料进行分级，上、下限分别为15μm和53μm，筛分完成后，获得NiAl粉末材料。
将本实施例制备的NiAl粉末材料采用雷尼绍金属增材制造设备，采用NiAl粉末专用工艺参数包进行增材制造加工，得出成型样件致密度可达99.95％以上，与常规NiAl粉末材料一致。经过0.7％Sc元素改性的NiAl合金样件，通过去应力退火后，样件塑性明显上升，与未改性NiAl样件相比，样件延伸率由1.2％上升至5.6％。
实施例2
本实施例提供一种用于增材制造的NiAl粉末材料，由Sc元素掺混的NiAl合金组成，该NiAl粉末材料的粒径为53～106μm；Sc元素对NiAl合金中的Al进行变质处理以实现晶粒细化。
本实施例中，Sc元素的掺混量为NiAl粉末材料质量的0.3％。
将本实施例提供的NiAl粉末材料采用雷尼绍金属增材制造设备，采用NiAl粉末专用工艺参数包进行增材制造加工，得出成型样件致密度可达99.90％以上，与常规NiAl粉末材料一致。经过0.3％Sc元素改性的NiAl合金样件，通过去应力退火后，样件塑性明显上升，与未改性NiAl样件相比，样件延伸率由1.2％上升至5.1％。
实施例3
本实施例提供一种用于增材制造的NiAl粉末材料，由Sc元素掺混的NiAl合金组成，该NiAl粉末材料的粒径为75～125μm；Sc元素对NiAl合金中的Al进行变质处理以实现晶粒细化。
本实施例中，Sc元素的掺混量为NiAl粉末材料质量的1.0％。
将本实施例提供的NiAl粉末材料采用雷尼绍金属增材制造设备，采用NiAl粉末专用工艺参数包进行增材制造加工，得出成型样件致密度可达99.97％以上，与常规NiAl粉末材料一致。经过1.0％Sc元素改性的NiAl合金样件，通过去应力退火后，样件塑性明显上升，与未改性NiAl样件相比，样件延伸率由1.2％上升至5.8％。
对比例1
本对比例与实施例1相比，本对比例提供的NiAl粉末材料的粒径为130～150μm，其他同实施例1。
将本对比例提供的NiAl粉末材料采用雷尼绍金属增材制造设备，采用NiAl粉末专用工艺参数包进行增材制造加工，得出成型样件致密度只有70％左右。
对比例2
本对比例与实施例1相比，本对比例提供的NiAl粉末材料的制备方法的步骤2)中加入Al-Sc中间合金后保温10～15min，其他同实施例1。
将本对比例提供的NiAl粉末材料采用雷尼绍金属增材制造设备，采用NiAl粉末专用工艺参数包进行增材制造加工，得出成型样件致密度的延伸率增加不明显。
对比例3
本对比例与实施例1相比，本对比例提供的NiAl粉末材料中Sc元素的掺混量为NiAl粉末材料质量的0.1％，其他同实施例1。
将本对比例提供的NiAl粉末材料采用雷尼绍金属增材制造设备，采用NiAl粉末专用工艺参数包进行增材制造加工，得出成型样件致密度的延伸率增加不明显。
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，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种用于增材制造的NiAl粉末材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：选取NiAl合金，并对所述NiAl合金进行预处理；
S2：配置Sc元素对应的Al-Sc中间合金，配置与所述Al-Sc中间合金中Al适配的Ni锭以使Al、Ni二者比例与所述NiAl合金一致；所述Sc元素的掺混量为NiAl粉末材料质量的0.3～1.0％；
S3：对所述NiAl合金、Ni锭和Al-Sc中间合金进行分阶段熔炼，然后雾化，获得粒径为15～125μm的混合粉末；
所述分阶段熔炼具体为：先将Ni锭升温至1450～1700℃，待Ni锭熔化后，加入NiAl合金，保温3～10min后加入Al-Sc中间合金，保温2～8min；
或者，所述分阶段熔炼具体为：先将NiAl合金和Ni锭置于熔炼室内，保持熔炼室正压≥30Kpa，升温至750～850℃，待熔液变红后将温度从750～850℃升温至1500℃，待NiAl合金和Ni锭完全熔化且温度稳定后，加入Al-Sc中间合金，保温2～8min；
S4：按增材制造粉末要求对所述混合粉末进行 分级，获得NiAl粉末材料。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述预处理包括：
对NiAl合金进行表面氧化层打磨，抛光和真空干燥。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，所述分阶段熔炼具体为：
先将Ni锭升温至1500～1550℃，待Ni锭熔化后，加入NiAl合金，保温3～5min后加入Al-Sc中间合金，保温3～5min。
4.如权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，在步骤S3 中，所述雾化的压力为4.0MPa，雾化时熔炼室正压15Kpa。
5.一种用于增材制造的NiAl粉末材料，其特征在于，由权利要求1～4任一项所述制备方法制备得到；所述NiAl粉末材料由Sc元素掺混的NiAl合金组成；所述NiAl粉末材料的粒径为15～125μm；
所述Sc元素对NiAl合金中的Al进行变质处理以实现晶粒细化。
6.一种NiAl合金部件，其特征在于，采用如权利要求5所述的NiAl粉末材料或者权利要求1～4任一项所述制备方法制备得到的NiAl粉末材料通过3D打印制备得到。
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