CN114457274A - 用于航空发动机的镍基合金粉末及生产方法和打印方法 - Google Patents

用于航空发动机的镍基合金粉末及生产方法和打印方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于航空发动机的高抗裂性镍基合金粉末及生产方法和打印方法，属于航空发动零部件制造材料制造工艺技术领域。提供一种可以适用于激光3D增材打印制造工艺的镍基合金粉末以及制备该镍基合金粉末的生产方法和打印方法。所述的高抗裂性镍基合金粉末为包含下述重量份组分的微粒粉末铬：(16.0～18.0)wt％；钴：(19.0～21.0)wt％；钼：(1.0～3.0)wt％；钨：(2.0～4.0)wt％；铝:(1.0～3.0)wt％；钛：(1.0～3.0)wt％；钽:(1.0～2.0)wt％；铌：(1.0～3.0)wt％；碳：(0.02～0.1)wt％；硼：(0.001～0.01)wt％；锆：≤0.1wt％；氧：≤0.005wt％；氮：≤0.02wt％；氢：≤0.02wt％；余量：镍。所述的生产方法先真空熔炼镍基合金棒料，然后再将棒料切割粉碎成微粒粉末，最后筛分获15‑53μm粒径粉末。

Description

用于航空发动机的镍基合金粉末及生产方法和打印方法
技术领域
本发明涉及一种高抗裂性镍基合金粉末，尤其是涉及一种用于航空发动机的高抗裂性镍基合金粉末，属于航空发动零部件制造材料制造工艺技术领域。本发明还涉及一种用于制备所述高抗裂性镍基合金粉末的生产方法，以及一种采用所述高抗裂性镍基合金粉末制备测试零件的打印方法。
背景技术
在航空航天领域，高温合金材料应用于制造喷气涡轮发动机关键区域中的零部件，如燃烧室、高压和低压涡轮等。这些区域中的所有零件都暴露于高温和更高水平的氧化作用下。
粉末床激光熔化金属3D打印技术凭借在复杂结构制造中的优势，在高附加值功能集成高温合金零件制造中备受重视，尤其是在制造集成先进冷却结构的高温合金零部件领域发挥了传统技术难以发挥的作用。此外，发动机高温组件通常是非常昂贵的，粉末床激光熔化工艺能够减少材料浪费，并能够缩短周期。然而，激光3D打印高温合金增材制造仍然存在挑战，例如由于强烈的温度梯度导致亚稳态的化学、结构和机械状态，从而产生影响性能的冶金缺陷。
镍基合金是传统制造工艺常用的高温合金材料，例如IN 738、IN713和MarM247。由于传统镍基高温合金材料的化学性质与激光3D打印技术并不兼容，因为他们不能对快速的热梯度变化做出很好的响应，并且实际上不可能控制焊接过程中的开裂量，因此这些合金材料更多是使用冷却速率相对较低的铸造方法加工的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种可以适用于激光3D增材打印制造工艺的用于航空发动机的镍基合金粉末，以及一种用于制备所述高抗裂性镍基合金粉末的生产方法，和一种采用所述高抗裂性镍基合金粉末制备测试零件的打印方法。
为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于航空发动机的高抗裂性镍基合金粉末，所述的高抗裂性镍基合金粉末为由包含有下述重量份组分的棒料通过粉碎筛分获得的微粒粉末，
所述的重量份组分包括铬：(16.0～18.0)wt％；钴：(19.0～21.0)wt％；钼：(1.0～3.0)wt％；钨：(2.0～4.0)wt％；铝:(1.0～3.0)wt％；钛：(1.0～3.0)wt％；钽:(1.0～2.0)wt％；铌：(1.0～3.0)wt％；碳：(0.02～0.1)wt％；硼：(0.001～0.01)wt％；锆：≤0.1wt％；氧：≤0.005wt％；氮：≤0.02wt％；氢：≤0.02wt％；余量：镍。
进一步的是，所述微粒粉末的粒径为15～53μm。
上述方案的优选方式是，所述的重量份组分为铬：16.96wt％；钴：20.00wt％；钼：2.50wt％；钨：3.50wt％；铝:2.80wt％；钛：2.70wt％；钽:1.70wt％；铌：2.50wt％；碳：0.03wt％；硼：0.006wt％；锆：0.04wt％；氧：0.018wt％；氮：0.02wt％；氢：0.02wt％；余量为镍。
用于制备所述高抗裂性镍基合金粉末的生产方法，所述的生产方法采用真空熔炼获得符合组分含量要求的镍基合金棒料，然后再将所述的镍基合金棒料切割粉碎成微粒粉末，最后通过筛分获得粒径为15-53μm的高抗裂性镍基合金粉末。
进一步的是，在对镍基合金棒料切割粉碎时采用的是等离子旋转电极并在氩气保护环境下进行切割粉碎。
上述方案的优选方式是，在采用等离子旋转电极切割制备微粒粉末时的工艺参数为，棒料直径80mm，转速23000RPM，电流300A。
进一步的是，通过筛分获得粒径为15-53μm的高抗裂性镍基合金粉末时使用的设备为超声振动筛。
采用所述高抗裂性镍基合金粉末制备测试零件的打印方法，所述的打印方法采用200W激光功率，900mm/s扫描速度，0.09扫描间距，层厚30μm的工艺参数打印测试棒，经1060℃/2hrs+850℃/4hrs+760℃/16hrs热处理后获得所述的测试零件。
本发明的有益效果是：本申请提供的技术方案通过对现有的镍基合金的组分以及含量进行改，获得上述重量份组分的棒料然后通过粉碎筛分获得的本申请的高抗裂性镍基合金微粒粉末。由于本申请提供的高抗裂性镍基合金微粒粉末与现有的镍基合金相比成分以及含量均进行有有效的改进，从而使本申请提供的高抗裂性镍基合金微粒粉末可以适用于激光3D增材打印制造工艺，解决了现有技术中的镍基高温合金材料的化学性质与激光3D打印技术不以兼容，不能对快速的热梯度变化做出很好的响应，并且不能控制焊接过程中的开裂量的技术问题，实现了抗裂性镍基合金的激光3D增材打印制造施工，进而提高了生成零件的抗冷热疲劳性能，缩短了生产周，降低了生产成本。
附图说明
图1为本发明涉及到的高抗裂性镍基合金粉末的金相组织图。
具体实施方式
如图1所示是本发明提供的一种可以适用于激光3D增材打印制造工艺的用于航空发动机的镍基合金粉末，以及一种用于制备所述高抗裂性镍基合金粉末的生产方法，和一种采用所述高抗裂性镍基合金粉末制备测试零件的打印方法。所述的高抗裂性镍基合金粉末为由包含有下述重量份组分的棒料通过粉碎筛分获得的微粒粉末，所述的重量份组分包括铬：(16.0～18.0)wt％；钴：(19.0～21.0)wt％；钼：(1.0～3.0)wt％；钨：(2.0～4.0)wt％；铝:(1.0～3.0)wt％；钛：(1.0～3.0)wt％；钽:(1.0～2.0)wt％；铌：(1.0～3.0)wt％；碳：(0.02～0.1)wt％；硼：(0.001～0.01)wt％；锆：≤0.1wt％；氧：≤0.005wt％；氮：≤0.02wt％；氢：≤0.02wt％；余量：镍。所述的生产方法采用真空熔炼获得符合组分含量要求的镍基合金棒料，然后再将所述的镍基合金棒料切割粉碎成微粒粉末，最后通过筛分获得粒径为15-53μm的高抗裂性镍基合金粉末。本申请提供的技术方案通过对现有的镍基合金的组分以及含量进行改，获得上述重量份组分的棒料然后通过粉碎筛分获得的本申请的高抗裂性镍基合金微粒粉末。由于本申请提供的高抗裂性镍基合金微粒粉末与现有的镍基合金相比成分以及含量均进行有有效的改进，从而使本申请提供的高抗裂性镍基合金微粒粉末可以适用于激光3D增材打印制造工艺，解决了现有技术中的镍基高温合金材料的化学性质与激光3D打印技术不以兼容，不能对快速的热梯度变化做出很好的响应，并且不能控制焊接过程中的开裂量的技术问题，实现了抗裂性镍基合金的激光3D增材打印制造施工，进而提高了生成零件的抗冷热疲劳性能，缩短了生产周，降低了生产成本。
上述实施方式中，为了获得更好加工性能，本申请所述的重量份组分为铬：16.96wt％；钴：20.00wt％；钼：2.50wt％；钨：3.50wt％；铝:2.80wt％；钛：2.70wt％；钽:1.70wt％；铌：2.50wt％；碳：0.03wt％；硼：0.006wt％；锆：0.04wt％；氧：0.018wt％；氮：0.02wt％；氢：0.02wt％；余量为镍。如上所述，所述微粒粉末的粒径为15～53μm。
进一步的，为了便制备上述的镍基合金微粒粉末，在对镍基合金棒料切割粉碎时采用的是等离子旋转电极并在氩气保护环境下进行切割粉碎。此时，在采用等离子旋转电极切割制备微粒粉末时的工艺参数为，棒料直径80mm，转速23000RPM，电流300A。相应的，通过筛分获得粒径为15-53μm的高抗裂性镍基合金粉末时使用的设备为超声振动筛。
此时，本申请所述的打印方法采用200W激光功率，900mm/s扫描速度，0.09扫描间距，层厚30μm的工艺参数打印测试棒，经1060℃/2hrs+850℃/4hrs+760℃/16hrs热处理后获得所述的测试零件。
具体实施例
某无人机发动机的热端部件，使用温度为900℃，采用本申请提供的技术方案制备高强度高抗裂性粉末作为原材料进行3D打印。其粉末制备过程如下：
1)采用真空熔炼方法制备合金棒材，棒材的化学成分如下：镍：余量；铬：17.0wt％；钴：19.0wt％；钼：2.0wt％；钨：3.0wt％；铝:2.0wt％；钛：2.0wt％；钽:1.5wt％；铌：1.7wt％；碳：0.06wt％；硼：0.005wt％；锆：0.05wt％；氧：0.003wt％；氮：0.02wt％；氢：0.02wt％；
2)采用等离子旋转电极方法制备粉末，主要工艺参数：棒料直径80mm，转速23000RPM，电流1300A，制备过程中采用氩气保护；
3)采用超声振动筛方法筛分粉末，使得粉末粒度范围：15～53μm；
4)粉末成分检测，粉末的化学成分为：镍：余量；铬：16.96wt％；钴：20.00wt％；钼：2.50wt％；钨：3.50wt％；铝:2.80wt％；钛：2.70wt％；钽:1.70wt％；铌：2.50wt％；碳：0.03wt％；硼：0.006wt％；锆：0.04wt％；氧：0.018wt％；氮：0.02wt％；氢：0.02wt％。
将该粉末放入SLM280激光3D打印机中，采用200W激光功率，900mm/s扫描速度，0.09扫描间距，层厚为30μm的工艺参数打印测试棒，经1060℃/2hrs+850℃/4hrs+760℃/16hrs热处理后，进行室温性能和高温性能测试，试验表明室温屈服强度达到1000MPa，高于IN718合金；900℃的屈服强度为600MPa，远高于IN718合金。打印态和热处理态均无裂纹产生。

Claims (8)

1.用于航空发动机的高抗裂性镍基合金粉末，其特征在于：所述的高抗裂性镍基合金粉末为由包含有下述重量份组分的棒料通过粉碎筛分获得的微粒粉末，
所述的重量份组分包括铬：(16.0～18.0)wt％；钴：(19.0～21.0)wt％；钼：(1.0～3.0)wt％；钨：(2.0～4.0)wt％；铝:(1.0～3.0)wt％；钛：(1.0～3.0)wt％；钽:(1.0～2.0)wt％；铌：(1.0～3.0)wt％；碳：(0.02～0.1)wt％；硼：(0.001～0.01)wt％；锆：≤0.1wt％；氧：≤0.005wt％；氮：≤0.02wt％；氢：≤0.02wt％；余量：镍。
2.根据权利要求1所述的用于航空发动机的高抗裂性镍基合金粉末，其特征在于：所述微粒粉末的粒径为15～53μm。
3.根据权利要求1或2所述的用于航空发动机的高抗裂性镍基合金粉末，其特征在于：所述的重量份组分为铬：16.96wt％；钴：20.00wt％；钼：2.50wt％；钨：3.50wt％；铝:2.80wt％；钛：2.70wt％；钽:1.70wt％；铌：2.50wt％；碳：0.03wt％；硼：0.006wt％；锆：0.04wt％；氧：0.018wt％；氮：0.02wt％；氢：0.02wt％；余量为镍。
4.用于制备权利要求2所述高抗裂性镍基合金粉末的生产方法，其特征在于：所述的生产方法采用真空熔炼获得符合组分含量要求的镍基合金棒料，然后再将所述的镍基合金棒料切割粉碎成微粒粉末，最后通过筛分获得粒径为15-53μm的高抗裂性镍基合金粉末。
5.根据权利要求4所述的生产方法，其特征在于：在对镍基合金棒料切割粉碎时采用的是等离子旋转电极并在氩气保护环境下进行切割粉碎。
6.根据权利要求5所述的生产方法，其特征在于：在采用等离子旋转电极切割制备微粒粉末时的工艺参数为，棒料直径80mm，转速23000RPM，电流300A。
7.根据权利要求4、5或6所述的生产方法，其特征在于：通过筛分获得粒径为15-53μm的高抗裂性镍基合金粉末时使用的设备为超声振动筛。
8.采用权利要求1所述高抗裂性镍基合金粉末制备测试零件的打印方法，其特征在于：所述的打印方法采用200W激光功率，900mm/s扫描速度，0.09扫描间距，层厚30μm的工艺参数打印测试棒，经1060℃/2hrs+850℃/4hrs+760℃/16hrs热处理后获得所述的测试零件。
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