CN114015922B - 用于增材制造的钴基高温合金金属粉末材料及其制备方法 - Google Patents

用于增材制造的钴基高温合金金属粉末材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于增材制造的钴基高温合金金属粉末材料，按照质量百分比，包括以下组分：C0.05％‑0.10％，Cr20.0％‑24.0％，Ni20.5％‑24.5％，W13.5％‑15.5％，Si0.20％‑0.50％，Fe≤2.5％，Mn≤1.25％，La≤0.03％，B≤0.015％，Cu≤0.07％，Al≤0.50％，O和N0.060％，P≤0.010％，S≤0.010％，Ag≤0.0010％，Bi≤0.0001％，Pb≤0.0010％，不可避免的杂质≤0.60％，余量为Co。还公开了其制备方法。通过设计高温合金材料成分，控制低熔点共晶形成，消除制件在成形时所产生的微裂纹及宏观开裂问题。

Description

用于增材制造的钴基高温合金金属粉末材料及其制备方法
技术领域
本发明属于金属粉末材料技术领域，涉及一种用于增材制造的钴基高温合金金属粉末材料，本发明还涉及该金属粉末材料的制备方法。
背景技术
高温合金材料，具有优良的物理、化学和高温力学性能，还具有较低的膨胀系数以及良好的抗疲劳、抗辐射、抗氧化及耐蚀性能，从而广泛的应用于航空航天领域，如航空发动机叶片、环控件等；也广泛应用于民用燃气轮机、涡轮叶片等领域。随着航空航天及民用燃气轮机领域的快速发展，基于高温合金材料特点，通过传统铸造或机加工工艺制备零件已无法满足需求，复杂形状零件更是无法加工。
随着工业化的不断改进，増材制造加工工艺在以上领域均得到了广泛应用。目前可直接成形金属零件的快速成形方法主要有三种：选择性激光烧结(SLS)，激光熔覆(LC)，激光选区熔化(SLM)。增材制造是一种基于离散-堆积理念的增量制造技术，与传统的去除材料加工方法相反，利用高能束激光逐层熔化金属粉末堆积成形金属零件，具有生产周期短、零件几何形状复杂和材料加工种类繁多等明显优势。而目前用于增材制造成形的钴基高温合金，在进行增材成形之后均会出现大量微裂纹，甚至出现宏观裂纹，严重影响产品质量安全性能；对于高温合金材料最为关键的高温强度及高温延伸率影响更甚。随着复杂高温合金结构件应用的增长，对材料性能要求的逐步提升，现有钴基高温合金粉末已无法满足需求。
发明内容
本发明的目的是提供用于增材制造的钴基高温合金金属粉末材料，解决了现有钴基高温合金金属粉末成形开裂及其制件高温力学性能偏低的问题。
本发明的另一目的是提供上述用于增材制造的钴基高温合金金属粉末材料的制备方法。
本发明所采用的技术方案是，用于增材制造的钴基高温合金金属粉末材料，按照质量百分比，包括以下组分：C 0.05％-0.10％，Cr 20.0％-24.0％，Ni 20.5％-24.5％，W13.5％-15.5％，Si 0.20％-0.50％，Fe≤2.5％，Mn≤1.25％，，B≤0.015％，Cu≤0.07％，La、Al、O和N总和≤0.59％，P≤0.010％，S≤0.010％，Ag≤0.0010％，Bi≤0.0001％，Pb≤0.0010％，不可避免的杂质≤0.60％，余量为Co，以上组分质量百分比之和为100％。
本发明的特点还在于，
优选的，用于增材制造的钴基高温合金金属粉末材料，按照质量百分比，包括以下组分：C 0.05％-0.10％，Cr 20.0％-24.0％，Ni 20.5％-24.5％，W 13.5％-15.5％，Si0.20％-0.50％，Fe≤2.5％，Mn≤1.25％，La≤0.03％，B≤0.015％，Cu≤0.07％，Al、O和N总和≤0.56％，P≤0.010％，S≤0.010％，Ag≤0.0010％，Bi≤0.0001％，Pb≤0.0010％，不可避免的杂质≤0.60％，余量为Co，以上组分质量百分比之和为100％。
优选的，用于增材制造的钴基高温合金金属粉末材料，按照质量百分比，包括以下组分：C 0.05％-0.10％，Cr 20.0％-24.0％，Ni 20.5％-24.5％，W 13.5％-15.5％，Si0.20％-0.50％，Fe≤2.5％，Mn≤1.25％，B≤0.015％，Cu≤0.07％，Al≤0.5％，La、O和N总和≤0.09％，P≤0.010％，S≤0.010％，Ag≤0.0010％，Bi≤0.0001％，Pb≤0.0010％，不可避免的杂质≤0.60％，余量为Co，以上组分质量百分比之和为100％。
优选的，用于增材制造的钴基高温合金金属粉末材料，按照质量百分比，包括以下组分：C 0.05％-0.10％，Cr 20.0％-24.0％，Ni 20.5％-24.5％，W 13.5％-15.5％，Si0.20％-0.50％，Fe≤2.5％，Mn≤1.25％，B≤0.015％，Cu≤0.07％，O≤0.03％，La、Al和N总和≤0.56％，P≤0.010％，S≤0.010％，Ag≤0.0010％，Bi≤0.0001％，Pb≤0.0010％，不可避免的杂质≤0.60％，余量为Co，以上组分质量百分比之和为100％。
优选的，用于增材制造的钴基高温合金金属粉末材料，按照质量百分比，包括以下组分：C 0.05％-0.10％，Cr 20.0％-24.0％，Ni 20.5％-24.5％，W 13.5％-15.5％，Si0.20％-0.50％，Fe≤2.5％，Mn≤1.25％，B≤0.015％，Cu≤0.07％，N≤0.03％，La、Al和O总和≤0.56％，P≤0.010％，S≤0.010％，Ag≤0.0010％，Bi≤0.0001％，Pb≤0.0010％，不可避免的杂质≤0.60％，余量为Co，以上组分质量百分比之和为100％。
优选的，用于增材制造的钴基高温合金金属粉末材料，按照质量百分比，包括以下组分：C 0.05％-0.10％，Cr 20.0％-24.0％，Ni 20.5％-24.5％，W 13.5％-15.5％，Si0.20％-0.50％，Fe≤2.5％，Mn≤1.25％，B≤0.015％，Cu≤0.07％，O≤0.03％，La≤0.03％，Al≤0.50％，O0.030％，N0.030％，P≤0.010％，S≤0.010％，Ag≤0.0010％，Bi≤0.0001％，Pb≤0.0010％，不可避免的杂质≤0.60％，余量为Co，以上组分质量百分比之和为100％。
优选的，用于增材制造的钴基高温合金金属粉末材料，按照质量百分比，包括以下组分：C 0.05％-0.10％，Cr 20.0％-24.0％，Ni 20.5％-24.5％，W 13.5％-15.5％，Si0.20％-0.50％，Fe≤2.5％，Mn≤1.25％，B≤0.015％，Cu≤0.07％，O≤0.03％，La0％，Al0％，O0.030％，N0.030％，P≤0.010％，S≤0.010％，Ag≤0.0010％，Bi≤0.0001％，Pb≤0.0010％，不可避免的杂质≤0.60％，余量为Co，以上组分质量百分比之和为100％。
本发明所采用的另一技术方案是，用于增材制造的钴基高温合金金属粉末材料的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1，材料准备；
具体为，钴基高温合金金属粉末材料按照质量百分比，由以下组分组成：C0.05％-0.10％，Cr 20.0％-24.0％，Ni 20.5％-24.5％，W13.5％-15.5％，Si 0.20％-0.50％，Fe≤2.5％，Mn≤1.25％，La≤0.03％，B≤0.015％，Cu≤0.07％，Al≤0.50％，O0.030％，N 0.030％，P≤0.010％，S≤0.010％，Ag≤0.0010％，Bi≤0.0001％，Pb≤0.0010％，不可避免的杂质≤0.60％，余量为Co，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2，将步骤1所得材料在增材制造成形前，进行烘干处理；
步骤3，将步骤2烘干后的材料进行筛分处理，去除较大颗粒与杂质，得细小均匀粉末，即得钴基高温合金金属粉末材料。
本发明的有益效果是，
本发明通过设计高温合金材料成分组元，控制低熔点共晶形成，降低增材制造残余热应力，消除制件在成形时所产生的微裂纹及宏观开裂问题，提高制件致密度，进一步提升制件高温力学性能。本发明的金属粉末材料在现有各型增材制造设备中成形，其制件中均无微裂纹及宏观裂纹存在，成形制件高温力学性能优异。
附图说明
图1是本发明实施例1中钴基高温合金金属零件的金相图；
图2是本发明实施例2中钴基高温合金金属零件的金相图；
图3是本发明实施例3中钴基高温合金金属零件的金相图；
图4是本发明实施例4中钴基高温合金金属零件的金相图；
图5是本发明实施例5中钴基高温合金金属零件的金相图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明进行详细说明。
本发明开发设计出的钴基高温合金金属粉末材料，相对于传统方案，创新性引入La、Al、O、N元素，并设计其质量百分比的最优值，其中，当La、Al含量越低越好，且其均可为0，即不含有La、Al元素，现有技术中的合金材料La含量在0.03-0.12％之间，而本发明中的La≤0.03％，这是相比于现有技术的一个巨大创新，本发明开发出具有高温力学性能的新型合金金属粉末，彻底解决了传统钴基粉末在成形时存在的开裂问题。
本发明一种用于增材制造的钴基高温合金金属粉末材料，按照质量百分比，包括以下组分：C 0.05％-0.10％，Cr 20.0％-24.0％，Ni 20.5％-24.5％，W 13.5％-15.5％，Si0.20％-0.50％，Fe≤2.5％，Mn≤1.25％，La≤0.03％，B≤0.015％，Cu≤0.07％，Al≤0.50％，O 0.030％，N 0.030％，P≤0.010％，S≤0.010％，Ag≤0.0010％，Bi≤0.0001％，Pb≤0.0010％，不可避免的杂质≤0.60％，余量为Co，以上组分质量百分比之和为100％。
用于增材制造的钴基高温合金金属粉末材料的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1，材料准备；
具体为，钴基高温合金金属粉末材料按照质量百分比，由以下组分组成：C0.05％-0.10％，Cr 20.0％-24.0％，Ni 20.5％-24.5％，W 13.5％-15.5％，Si 0.20％-0.50％，Fe≤2.5％，Mn≤1.25％，La≤0.03％，B≤0.015％，Cu≤0.07％，Al≤0.50％，O0.030％，N 0.030％，P≤0.010％，S≤0.010％，Ag≤0.0010％，Bi≤0.0001％，Pb≤0.0010％，不可避免的杂质≤0.60％，余量为Co，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2，将步骤1所得材料在增材制造成形前，进行烘干处理；
烘干处理过程是在100～200℃下保温2h，且烘干处理在氩气保护环境中进行；
氩气纯度应在99.999％以上；
步骤3，将步骤2烘干后的材料进行筛分处理，去除较大颗粒与杂质，得粒度为10～200μm的细小均匀粉末，即得钴基高温合金金属粉末材料，将所得到的钴基高温合金金属粉末材料在真空中密封保存。
实施例1
实施例1：
一种用于增材制造的新型钴基高温合金金属粉体材料，该粉体材料中各元素的质量百分比含量为：
Figure BDA0002590119310000071
该粉体材料须抽真空密封保存，在进行成形前，先将该粉体材料在150℃下真空保温2小时，做烘干处理。然后对粉末进行筛取，去除较大颗粒粉末与杂质，得到细小均匀的粉末，其粒度为15～53μm。
本发明方法制备的钴基高温合金金属粉末材料，在具体应用时，先将上述细小均匀的粉末装入设备的粉筒中，根据零件的三维模型，将模型按一定的厚度切片分层，即将零件的三维形状信息转换成一系列二维轮廓信息，随后在数控系统的控制下，用激光通过阵镜控制来熔化金属粉末，直接成形具有特定几何形状的零件。成形过程中金属粉末完全熔化，产生冶金结合，根据零件三维模型逐层打印，制成高温合金零件。
高温合金零件成形后，对其进行金相组织观察及力学性能检测。金相检测照片如图1所示，得到均匀致密的高温合金制件；将本实施例1制备的钴基高温合金金属粉末材料与现有的钴基高温合金金属粉末材料进行热处理，在室温、900℃1000℃、1100℃的条件下在三个方向的力学性能数据结果，如表1及表2所示，由表可知，本发明制备的钴基高温合金金属粉末材料，其抗拉性能、屈服性能、延伸率、断面收缩率都优于现有的钴基高温合金材料，故证明其力学性能更好。
表1新型增材制造用钴基高温合金力学性能数据
Figure BDA0002590119310000081
注：X/Y向为平行于基板方向，Z向为沉积方向即垂直于基板方向。
表2现有增材制造用钴基高温合金力学性能数据
Figure BDA0002590119310000082
Figure BDA0002590119310000091
注：X/Y向为平行于基板方向，Z向为沉积方向即垂直于基板方向。
实施例2：
一种用于增材制造的新型钴基高温合金金属粉体材料，该粉体材料中各元素的质量百分比含量为：
Figure BDA0002590119310000092
该粉体材料须抽真空密封保存，在进行成形前，先将该粉体材料在200℃下真空保温2小时，做烘干处理。然后对粉末进行筛取，去除较大颗粒粉末与杂质，得到细小均匀的粉末，其粒度为20-63μm。
本发明制备的钴基高温合金金属粉末材料，在具体应用时，先将上述细小均匀的粉末装入设备的粉筒中，根据零件的三维模型，将模型按一定的厚度切片分层，即将零件的三维形状信息转换成一系列二维轮廓信息，随后在数控系统的控制下，用激光通过阵镜控制来熔化金属粉末，直接成形具有特定几何形状的零件。成形过程中金属粉末完全熔化，产生冶金结合，根据零件三维模型逐层打印，制成高温合金零件。
高温合金零件成形后，对其进行金相组织观察及力学性能检测。金相检测照片如图2所示，得到均匀致密的高温合金制件；热处理后进行力学性能检测，结果如表3所示，由表可知，本实施例制备的钴基高温合金金属粉末材料其抗拉性能、屈服性能、延伸率、断面收缩率均较高，因此可证明其具有良好的力学性能。
表3增材制造用钴基高温合金力学性能数据
Figure BDA0002590119310000101
注：X/Y向为平行于基板方向，Z向为沉积方向即垂直于基板方向。
本发明制备的钴基高温合金金属粉末材料，在现有各型增材制造打印设备中成形，其制件中均无微裂纹及宏观裂纹存在，成形制件高温力学性能优异。
本发明通过设计高温合金材料成分组元，控制低熔点共晶形成，降低增材制造残余热应力，消除制件在成形时所产生的微裂纹及宏观开裂问题，提高制件致密度，进一步提升制件高温力学性能。本发明在现有各型增材制造打印设备中成形，其制件中均无微裂纹及宏观裂纹存在，成形制件高温力学性能优异。
实施例3：
一种用于增材制造的新型钴基高温合金金属粉体材料，该粉体材料中各元素的质量百分比含量为：
Figure BDA0002590119310000111
该粉体材料须抽真空密封保存，在进行成形前，先将该粉体材料在200℃下真空保温2小时，做烘干处理。然后对粉末进行筛取，去除较大颗粒粉末与杂质，得到细小均匀的粉末，其粒度为15-45μm。
本发明具体应用时，先将上述细小均匀的粉末装入设备的粉筒中，根据零件的三维模型，将模型按一定的厚度切片分层，即将零件的三维形状信息转换成一系列二维轮廓信息，随后在数控系统的控制下，用激光通过阵镜控制来熔化金属粉末，直接成形具有特定几何形状的零件。成形过程中金属粉末完全熔化，产生冶金结合，根据零件三维模型逐层打印，制成高温合金零件。
高温合金零件成形后，对其进行金相组织观察及力学性能检测。金相检测照片如图3所示，得到均匀致密的高温合金制件热处理后进行力学性能检测，结果如表4所示，由表可知，本实施例制备的钴基高温合金金属粉末材料其抗拉性能、屈服性能、延伸率、断面收缩率均较高，因此可证明其具有良好的力学性能。
表4新型增材制造用钴基高温合金力学性能数据
Figure BDA0002590119310000121
注：X/Y向为平行于基板方向，Z向为沉积方向即垂直于基板方向。
实施例4：
一种用于增材制造的新型钴基高温合金金属粉体材料，该粉体材料中各元素的质量百分比含量为：
Figure BDA0002590119310000131
该粉体材料须抽真空密封保存，在进行成形前，先将该粉体材料在200℃下真空保温2小时，做烘干处理。然后对粉末进行筛取，去除较大颗粒粉末与杂质，得到细小均匀的粉末，其粒度为15-63μm。
本发明具体应用时，先将上述细小均匀的粉末装入设备的粉筒中，根据零件的三维模型，将模型按一定的厚度切片分层，即将零件的三维形状信息转换成一系列二维轮廓信息，随后在数控系统的控制下，用激光通过阵镜控制来熔化金属粉末，直接成形具有特定几何形状的零件。成形过程中金属粉末完全熔化，产生冶金结合，根据零件三维模型逐层打印，制成高温合金零件。
高温合金零件成形后，对其进行金相组织观察及力学性能检测。金相检测照片如图4所示，得到均匀致密的高温合金制件；热处理后进行力学性能检测，结果如表5所示，由表可知，本实施例制备的钴基高温合金金属粉末材料其抗拉性能、屈服性能、延伸率、断面收缩率均较高，因此可证明其具有良好的力学性能。
表5新型增材制造用钴基高温合金力学性能数据
Figure BDA0002590119310000141
注：X/Y向为平行于基板方向，Z向为沉积方向即垂直于基板方向。
实施例5：
一种用于增材制造的新型钴基高温合金金属粉体材料，该粉体材料中各元素的质量百分比含量为：
Figure BDA0002590119310000142
该粉体材料须抽真空密封保存，在进行成形前，先将该粉体材料在200℃下真空保温2小时，做烘干处理。然后对粉末进行筛取，去除较大颗粒粉末与杂质，得到细小均匀的粉末，其粒度为15-53μm。
本发明具体应用时，先将上述细小均匀的粉末装入设备的粉筒中，根据零件的三维模型，将模型按一定的厚度切片分层，即将零件的三维形状信息转换成一系列二维轮廓信息，随后在数控系统的控制下，用激光通过阵镜控制来熔化金属粉末，直接成形具有特定几何形状的零件。成形过程中金属粉末完全熔化，产生冶金结合，根据零件三维模型逐层打印，制成高温合金零件。
高温合金零件成形后，对其进行金相组织观察及力学性能检测。金相检测照片如图5所示，得到均匀致密的高温合金制件；热处理后进行力学性能检测，结果如表6所示，由表可知，本实施例制备的钴基高温合金金属粉末材料其抗拉性能、屈服性能、延伸率、断面收缩率均较高，因此可证明其具有良好的力学性能。
表6新型增材制造用钴基高温合金力学性能数据
Figure BDA0002590119310000151
注：X/Y向为平行于基板方向，Z向为沉积方向即垂直于基板方向。

Claims (2)

1.用于增材制造的钴基高温合金金属粉末材料，其特征在于，按照质量百分比，包括以下组分：C 0.05%-0.10%，Cr 20.0%-24.0%，Ni 20.5%-24.5%，W 13.5%-15.5%，Si 0.20%-0.50%，Fe ≤2.5%，Mn ≤1.25%，B ≤0.015%，Cu ≤0.07%，La＜0.02%，Al≤0.50%，0<O≤0.03%，0<N≤0.03%，P ≤0.010%，S ≤0.010%，Ag ≤0.0010%，Bi ≤0.0001%，Pb ≤0.0010%，不可避免的杂质≤0.60%，余量为Co，以上组分质量百分比之和为100%。
2.如权利要求1所述的用于增材制造的钴基高温合金金属粉末材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1，材料准备；
具体为，钴基高温合金金属粉末材料按照质量百分比，由以下组分组成：C 0.05%-0.10%，Cr 20.0%-24.0%，Ni 20.5%-24.5%，W 13.5%-15.5%，Si 0.20%-0.50%，Fe ≤2.5%，Mn≤1.25%，B ≤0.015%，Cu ≤0.07%，La＜0.02%，Al≤0.50%，0<O≤0.03%，0<N≤0.03%，P ≤0.010%，S ≤0.010%，Ag ≤0.0010%，Bi ≤0.0001%，Pb ≤0.0010%，不可避免的杂质≤0.60%，余量为Co，以上组分质量百分比之和为100%；
步骤2，将步骤1所得材料在增材制造成形前，进行烘干处理；
步骤3，将步骤2烘干后的材料进行筛分处理，去除较大颗粒与杂质，得细小均匀粉末，即得钴基高温合金金属粉末材料。
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