CN114480920B

CN114480920B - 一种3d打印用镍基高温合金粉末及其制备方法和应用

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Publication number: CN114480920B
Application number: CN202111663903.4A
Authority: CN
Inventors: 袁铁锤; 颜巧玲; 李瑞迪; 陈楠
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2021-12-31
Filing date: 2021-12-31
Publication date: 2022-09-02
Anticipated expiration: 2041-12-31
Also published as: CN114480920A

Abstract

本发明公开了一种3D打印用镍基高温合金粉末及其制备方法，3D打印用镍基高温合金粉末，包括Ni、Cr、W、Mo、Co、Al、Ti；其中，按质量百分比计，Ni为56～60％、Cr为15～18％、Fe为9～12％、Al为5～7％、Mo为3～5％、Co为3～4％、W为1～2％、Zr为0.05～0.15％、C为0.05～0.1％，各组分质量百分比之和为100％。利用本发明的3D打印用镍基高温合金粉末制备出的镍基高温合金成形件，致密度高、内部质量好、缺陷少、力学性能优良，满足了当前镍基高温合金的质量要求。

Description

一种3D打印用镍基高温合金粉末及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，具体涉及到一种3D打印用镍基高温合金粉末及其制备方法和应用。

背景技术

镍基合金具有优异的综合性能，如耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、耐磨损性能和高强度，其最高使用温度可达1100℃。因而镍基合金广泛应用于航天航空及化工领域。

镍基高温合金切削困难、成形自由度低，这对于镍基高温合金的成形与应用是一种严峻的挑战。而采用3D打印技术是解决上述问题的一种有效途径。在使用3D打印技术制备镍基合金时，常选择激光成型。上世纪90年代，激光成形开始发展起来，主要包括粉床激光成形技术(Selective laser melting，SLM)和粉末激光熔覆技术。激光成形是一种近净成形技术，能提高材料利用率。该技术可以制备出致密度高的实体零件，对于难加工的材料或具有复杂内部结构的零部件有很好的适用性，在新型航空航天装备的研发上具有一定的优越性。

在激光成形过程中，存在高的温度梯度及较大的热应力，容易导致微裂纹的产生，严重影响了产品的性能和应用。针对该问题，通常选择预热基板和热等静压处理，但是会提高了生产成本。因而可以考虑对镍基高温合金的成分进行设计。

在高温条件下，镍基高温合金表面可以形成致密的氧化铬薄膜，阻止内部进一步氧化。为了提高合金的强度，会在合金中添加一定量的钨，钨在合金的成型制备过程中会形成碳氧化物，能阻碍位错运动，提高材料的强度。传统的Ni-20Cr-18W-X合金由于钨含量过高，在真空感应熔炼合金过程中容易形成W的碳氧化合物。在气雾化制粉过程中，钨的碳氧化物因熔点较高无法熔化，故常以夹杂物的形式存在于粉末中。这会导致最后成型的镍基高温合金零部件的耐高温性能大幅度下降，严重影响其使用寿命。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。

本发明的其中一个目的是提供一种3D打印用镍基高温合金粉末，解决了现有技术中存在的制备的镍基合金粉末碳氧化物含量高、抗裂纹性差等问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种3D打印用镍基高温合金粉末，包括Ni、Cr、W、Mo、Co、Al、Ti；其中，按质量百分比计，Ni为56～60％、Cr为15～18％、Fe为9～12％、Al为5～7％、Mo为3～5％、Co为3～4％、W为1～2％、Zr为0.05～0.15％、C为0.05～0.1％，各组分质量百分比之和为100％。

作为本发明3D打印用镍基高温合金粉末的一种优选方案，其中：按质量百分比计，Ni为57.83％、Cr为17％、Fe为10％、Al为6％、Mo为4％、Co为3％、W为2％、Zr：0.1％、C为0.07％。

本发明的另一个目的是提供如上述所述的3D打印用镍基高温合金粉末的制备方法，包括，

在真空条件下，按照权利要求1或2所述的质量百分比配制金属粉末；

将配制的金属粉末进行熔炼、脱气处理得到熔体；

将所得熔体进行气雾化处理，得到3D打印用镍基高温合金粉末。

作为本发明3D打印用镍基高温合金粉末的制备方法的一种优选方案，其中：所述将配制的金属粉末进行熔炼，将配制的合金粉末加入熔炼炉内，当炉腔真空度高于0.1MPa时充入惰性气体保护。

作为本发明3D打印用镍基高温合金粉末的制备方法的一种优选方案，其中：所述脱气处理，脱气的温度为1600℃，脱气时间为7～9min。

作为本发明3D打印用镍基高温合金粉末的制备方法的一种优选方案，其中：所述进行气雾化处理，为通入惰性气体进行雾化制粉，炉内压强为0.23bar，雾化压力为4～4.5MPa。

作为本发明3D打印用镍基高温合金粉末的制备方法的一种优选方案，其中：所述惰性气体为高纯氩气，其中高纯氩气的纯度为99.99％。

作为本发明3D打印用镍基高温合金粉末的制备方法的一种优选方案，其中：所述进行气雾化处理，气雾化处理使用环孔锥形喷嘴，其直径为3.5mm；气雾化处理的喷射速度为3.8～4kg/min。

本发明的另一个目的是提供如上述所述的3D打印用镍基高温合金粉末在3D打印中的应用，所述3D打印为粉床选区激光成形，3D打印用镍基高温合金粉末的粒径＜45μm。

本发明的另一个目的是提供如上述所述的3D打印用镍基高温合金粉末在3D打印中的应用，所述3D打印为粉末激光熔覆成形，3D打印用镍基高温合金粉末的粒径为45～106μm。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明通过合理设计各合金元素之间的比例，结合真空感应熔炼以及氩气雾化制粉技术，制备出适合3D打印的镍基高温合金粉末。在保证制备出来的粉末球形度高、含氧量低、流动性好、卫星粉少的前提下，最大限度地降低其成本。利用本发明的3D打印用镍基高温合金粉末制备出的镍基高温合金成形件，致密度高、内部质量好、缺陷少、力学性能优良，满足了当前镍基高温合金的质量要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明实施例1制备得到的3D打印用镍基高温合金粉末形貌。

图2为本发明实施例2制备得到的3D打印镍基高温合金光镜照片。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

实施例1

(1)配制金属粉末，以重量百分比计，具体化学的组成为Ni为57.83％，Cr为17％，Fe为10％，Al为6％，Mo为4％，Co为3％，W为2％，Zr：0.1％，C为0.07％，上述组分质量百分比之和为100％；

(2)真空熔炼，将配制的金属粉末加入熔炼炉内进行真空熔炼，熔炼温度为1500℃；当炉腔真空度高于0.1MPa时充入惰性气体保护，熔炼时间为60min，脱气得到熔体；

(3)雾化制粉，将所得熔体导入雾化炉中进行气雾化处理，气雾化处理使用环孔锥形喷嘴，其直径为3.5mm；喷射气锥顶角为55°；所述雾化温度为液相线温度以上400℃；气雾化处理的喷射速度控制在3.9kg/min；气雾化炉内的压强控制在0.23bar；高压雾化介质的压力控制在4MPa；得到3D打印用镍基高温合金粉末。

本实施例1制备得到的3D打印用镍基高温合金粉末形貌如图1所示。由图1可以看出所得镍基高温合金粉末的球形度较好，卫星粉较少。

实施例2

(1)对实施例1制备得到的3D打印用镍基高温合金粉末进行筛分，选取粒度范围为45到70μm的合金粉末；

(2)将筛分后的合金粉末在150℃干燥10小时；

(3)将上述合金粉末进行粉末激光熔覆成形，打印参数为：输入激光功率为180W，扫描速度为10mm/s，激光束直径约为0.5mm，粉末进给速率4.5g/min，氩气喷射速率4L/min，层厚约为100μm；按照三维模型打印成型镍基高温合金。

(4)采用电火花线切割工艺将成型件从基板上分离，获得试样，然后切割出标准拉伸试样。

3D打印镍基高温合金的光镜照片如图2所示，可以看出试验裂纹、孔隙较少。对得到的试样进行物理性能测试，测试结果显示其致密度为98.87％，试样的致密度较高。

实施例3

本实施例3采用实施例1相同的制粉方法制备3D打印用镍基高温合金粉末，区别在于金属粉末原料的配比不同，以重量百分比计，具体化学的组成为Ni为56.75％，Cr为15％，Fe为12％，Al为7％，Mo为5％，Co为3％，W为1％，Zr：0.15％，C为0.1％，上述组分质量百分比之和为100％。

并采用与实施例2相同的3D打印方法得到镍基高温合金试样。

对得到的试样进行物理性能测试，测试结果显示其致密度为98.68％，拉伸强度为976MPa，屈服强度为847MPa。

实施例4

本实施例4采用实施例1相同的制粉方法制备3D打印用镍基高温合金粉末，区别在于金属粉末原料的配比不同，以重量百分比计，具体化学的组成成分为Ni为59.8％，Cr为17％，Fe为10％，Al为5％，Mo为3％，Co为3％，W为2％，Zr：0.15％，C为0.05％，上述组分质量百分比之和为100％。

并采用与实施例2相同的3D打印方法得到镍基高温合金试样。

对得到的试样进行物理性能测试，测试结果显示其致密度为98.75％，拉伸强度为987MPa，屈服强度为854MPa。

本发明提供了一种3D打印用镍基高温合金粉末及其制备方法和应用，通过合理设计各合金元素之间的比例，结合真空感应熔炼以及氩气雾化制粉技术，制备出适合3D打印的镍基高温合金粉末。

W、Mo元素在快速冷却的条件下可形成过饱和固溶体，提高镍基合金的强度，同时提高其抗热震荡性，进一步改善其裂纹敏感性。但是W元素含量过高会导致制备合金粉末中夹杂物过多，从而影响3D打印镍基合金零部件的性能。

Co元素的层错能较低，约为0.02J.m^-2。Co的加入可以大幅度降低基体的层错能，会使层错和孪晶延伸并穿过γ基体和γ析出相，从而达到降低合金稳态蠕变速率、增加蠕变抗力、提高蠕变断裂寿命的目的。但由于Co是新能源材料的飞速发展，的市场需求量急速增加，因而Co的价格较高。从生产成本考虑，在满足性能的前提下，选择掺杂适量的Co元素。

镍基合金里的Cr元素在高温下会在合金表面生成致密的氧化锆薄膜。氧化锆的熔点约为2260℃，热稳定性好，化学稳定性优异，可以阻止高温下合金内部的进一步氧化，提高了合金的抗热氧化性，提高其工作温度。另一方面，由于Cr原子半径较大，其加入会引起晶格畸变，起到固溶强化效果。此外Cr元素还降低了固溶体的堆垛层错能，提镍基合金的高温持久强度。

镍基合金粉末的C元素含量控制在0.05～0.1％，碳含量过高或过低都将影响3D打印镍基零部件的产品性能。碳元素含量过高，在晶界上形成大量碳化物，影响3D打印零部件的蠕变性能和高温塑性，此外还容易导致微裂纹的产生。当碳元素含量太低，晶界处形成的碳化物较少，其对晶界的钉扎作用减弱，合金的强度将会下降，且晶粒在高温情况下更易长大。

利用本发明的3D打印用镍基高温合金粉末制备出的镍基高温合金成形件，致密度高、内部质量好、缺陷少、力学性能优良，满足了当前镍基高温合金的质量要求。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种3D打印用镍基高温合金粉末，其特征在于：包括Ni、Cr 、W、Mo、Co、Al、Ti；其中，按质量百分比计，Ni为56～60%、Cr为15~18%、 Fe为9~12%、Al为5~7%、Mo为3～5%、Co为3~4%、W为1～2%、Zr为0.05～0.15%、C为0.05～0.1%，各组分质量百分比之和为100%；

将配制的金属粉末进行熔炼、脱气处理得到熔体；将所得熔体进行气雾化处理，得到3D打印用镍基高温合金粉末；所述3D打印用镍基高温合金粉末的粒径≤106μm。

2.如权利要求1所述的3D打印用镍基高温合金粉末，其特征在于：按质量百分比计，Ni为57.83%、Cr为17%、Fe为10%、Al为6%、Mo为4 %、Co为3%、W为 2%、Zr：0.1 %、C为0.07%。

3.如权利要求1或2所述的3D打印用镍基高温合金粉末的制备方法，其特征在于：包括，

将配制的金属粉末进行熔炼、脱气处理得到熔体；

4.如权利要求3所述的3D打印用镍基高温合金粉末的制备方法，其特征在于：所述将配制的金属粉末进行熔炼，将配制的合金粉末加入熔炼炉内，当炉腔真空度高于0.1MPa时充入惰性气体保护。

5.如权利要求3或4所述的3D打印用镍基高温合金粉末的制备方法，其特征在于：所述脱气处理，脱气的温度为1600℃，脱气时间为7~9 min。

6.如权利要求5所述的3D打印用镍基高温合金粉末的制备方法，其特征在于：所述进行气雾化处理，为通入惰性气体进行雾化制粉，炉内压强为0.23 bar，雾化压力为4～4.5MPa。

7.如权利要求6所述的3D打印用镍基高温合金粉末的制备方法，其特征在于：所述惰性气体为高纯氩气，其中高纯氩气的纯度为99.99 %。

8.如权利要求6或7所述的3D打印用镍基高温合金粉末的制备方法，其特征在于：所述进行气雾化处理，气雾化处理使用环孔锥形喷嘴，其直径为3.5mm；气雾化处理的喷射速度为3.8～4 kg/min。

9.如权利要求1或2所述的3D打印用镍基高温合金粉末在3D打印中的应用，其特征在于：所述3D打印为粉床选区激光成形，3D打印用镍基高温合金粉末的粒径＜45μm。

10.如权利要求1或2所述的3D打印用镍基高温合金粉末在3D打印中的应用，其特征在于：所述3D打印为粉末激光熔覆成形，3D打印用镍基高温合金粉末的粒径为45~106μm。