CN114535602B - 一种基于激光近净成形技术的镍基高温合金/不锈钢梯度复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种基于激光近净成形技术的镍基高温合金/不锈钢梯度复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种镍基高温合金/不锈钢梯度复合材料，它包括依次设置的不锈钢层、镍基高温合金/不锈钢梯度复合层和镍基高温合金层，其中镍基高温合金/不锈钢梯度复合层包括若干个镍基高温合金含量梯度变化的复合分层，所述复合分层以不锈钢粉和镍基高温合金粉为原料进行激光近净成型得到。本发明以镍基高温合金粉末和不锈钢粉末为原料，通过激光近净成形技术制备镍基高温合金/不锈钢梯度复合材料；针对梯度材料界面连接处的成型可实现成分与结构的精确调控，可有效结合两种材料的显著特性，有效保证所得复合材料的整体性能；且涉及的制备过程简单、易控，生产周期短，原材料利用率提高，适合推广应用。

Description

一种基于激光近净成形技术的镍基高温合金/不锈钢梯度复 合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于功能材料及其制造技术领域，具体涉及一种基于激光近净成形技术的镍基高温合金/不锈钢梯度复合材料及其制备方法。
背景技术
梯度材料是一种组成成分与微观结构以预定的方式沿单一或多个方向逐渐变化，从而导致相应的性能呈梯度变化的新型复合材料。梯度材料具有独特的性能和广泛的适用性，可以满足极其苛刻的性能要求，已被广泛应用于航空航天、核电、海洋等极端环境。对于石油、天然气和化学工业等需要同时满足高强度和耐腐蚀性的应用行业，制备镍基高温合金/不锈钢梯度复合材料具有重要意义。
目前用于梯度材料的传统制造方法主要包括气相沉积技术、粉末冶金和离心铸造等，然而这些制造方法很难直接制造出复杂的结构，往往需要借助其他加工或焊接等方式才能得到最终的形状，这也使得生产工艺变得更加复杂以及生产过程更加耗时。利用激光近净成形技术可实现复合材料和梯度材料的无模生产制造。如，专利CN110629131A公开了一种3D打印不锈钢材料的制备方法，以该不锈钢各化学组成对应的单质粉末为原料，通过混合不同比例原材料粉末，采用真空熔炼气雾化法将原料混合物制成3D打印不锈钢金属粉末，再将其应用于制造3D打印模具；但该方法得到的单一不锈钢材料，不具备性能随梯度呈变化的特性；专利CN110052605A公开了一种硬质合金梯度材料的制备方法，具体为一种利用三层原料混合得到硬质合金功能梯度圆棒的制备方法，但涉及的制备工艺复杂。此外，由于异种合金在连接过程中界面连接处通常会发生第二相析出、脆性相的生成或因热膨胀系数的不同在界面处产生微观缺陷等问题，进而导致界面连接处强度较低，最终影响到梯度材料的整体性能。因此，进一步探索简单、高效的梯度复合材料制备工艺，具有重要的研究和应用意义。
发明内容
本发明的主要目的在于针对上述现有技术存在的不足及缺陷，提供一种基于激光近净成形技术制备的镍基高温合金/不锈钢梯度复合材料及其制备方法，以解决当前传统均质材料应用的局限性，有效结合两种材料的显著特性，保证所得复合材料的整体性能，表现出优良的抗拉强度和耐腐蚀性能，满足航空航天、石油、天然气和化学工业等领域发展的应用需求。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种镍基高温合金(镍基体高温合金)/不锈钢梯度复合材料，它包括依次设置的不锈钢层、镍基高温合金/不锈钢梯度复合层和镍基高温合金层，其中镍基高温合金/不锈钢梯度复合层包括若干个镍基高温合金含量梯度变化的复合分层，所述复合分层以不锈钢粉和镍基高温合金粉为原料进行激光近净成型得到。
上述方案中，所述镍基高温合金/不锈钢梯度复合层中，镍基高温合金的含量沿自不锈钢层向镍基高温合金层的方向梯度递增。
优选的，所述镍基高温合金粉以占不锈钢粉和镍基高温合金粉总质量5～50wt％的增量要求进行逐层(复合分层)梯度递增。
更优选的，所述镍基高温合金粉以占不锈钢粉和镍基高温合金粉总质量10～30wt％的增量要求进行逐层梯度递增。
上述方案中，所述不锈钢层和镍基高温合金层分别以单纯的不锈钢粉和镍基高温合金粉为原料进行激光近净成型得到。
上述方案中，所述不锈钢粉和镍基高温合金粉均为微米级粉末。
优选的，所述不锈钢粉与镍基高温合金粉末的粒径均为53～150μm。
上述方案中，所述镍基高温合金是以镍为基体(含量大于50wt％)的在650～1000℃范围内仍具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金；具体可选用Inconel625、Inconel600、Inconel718、Inconel750等中的一种或几种。
上述方案中，所述不锈钢为铬含量不小于10.5wt％，碳含量不超过1.2wt％的以不锈、耐蚀性为主要特性的钢材；具体可选用304、304L、316、316L等中的一种或几种。
上述一种镍基高温合金/不锈钢梯度复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)在基材表面设置不锈钢层(100％不锈钢层)；
2)采用激光近净成型技术，以不锈钢粉和镍基高温合金粉为原料，在不锈钢层表面设置由若干个镍基高温合金含量梯度递增的镍基高温合金/不锈钢梯度复合分层组成的镍基高温合金/不锈钢梯度复合层；
3)以镍基高温合金粉为原料，进行激光近净成型，在镍基高温合金/不锈钢梯度复合层表面设置镍基高温合金层(100％镍基高温合金层)。
上述方案中，所述不锈钢层以不锈钢粉为主要原料，采用激光近净成型技术制备得到。
优选的，所述基材在使用前进行预处理，具体步骤包括：首先用砂纸打磨基材表面，然后进行醇洗清洁表面油渍。
上述方案中，所述激光近净成型技术采用保护气氛，具体可选用氩气、氮气等惰性气氛。
上述方案中，所述激光近净成型步骤中，按照设计的梯度组分、梯度层数及每层中各组分含量，将所需的金属粉末(不锈钢粉或镍基高温合金粉)投入粉末筒中，调整激光近净成形设备的激光功率、送粉速率和扫描速度，将金属粉末(不锈钢粉和/或镍基高温合金粉)直接注入到高功率连续波Nd-YAG激光束在基底形成的熔池系统中，快速熔化凝固，其中通过设置双送粉桶(分别装载不锈钢粉和镍基高温合金粉)不同送粉速率的比例变化，从而控制梯度层组分的相对变化，使镍基高温合金粉的质量百分比自下而上在100％至0％的范围内呈连续梯度变化，进而制得所述镍基高温合金/不锈钢梯度复合材料。
上述方案中，所述激光近净成型步骤中，采用的激光功率为200～450W，镍基高温合金送粉速率为0～10g/min，不锈钢送粉速率为0～10g/min，扫描速率为10～50cm/min。
优选的，所述不锈钢层的制备过程中，采用的激光近净成型步骤包括：设置激光功率为200～350W，不锈钢粉的送粉速率为2～10g/min(优选为2～6g/min)，扫描速率为10～50cm/min。
优选的，设置激光功率为250～400W，不锈钢粉的送粉速率为1.5～5g/min，镍基高温合金粉的送粉速率为1.5～5g/min，扫描速率为10～50cm/min；其中，梯度复合层中根据不锈钢和镍基高温合金的设计比例，调整对应的送粉速率，且各相邻梯度复合层之间不锈钢粉和镍基高温合金粉的送粉速率之和相同；相邻的两个复合分层之间的激光功率相差3～8W(优选为4～6W)。
优选的，所述镍基高温合金层的制备过程中，采用的激光近净成型步骤包括：设置激光功率为300～450W，送粉速率为2～10g/min(优选为2～6g/min)，扫描速率为10～50cm/min。
更优选的，沿自不锈钢层、镍基高温合金/不锈钢梯度复合层和镍基高温合金层的方向，各组成不同的功能层之间，激光功率按3～8W的增量进行调整。
上述方案中，所述扫描步骤采用双向曲折的方式，激光沿着整个样品来回移动，不会停止或重叠。
上述方案中，所述基材可选用不锈钢合金板等。
根据上述方案制备的镍基高温合金/不锈钢梯度复合材料，界面连接强度较高，其抗拉强度为600～1000MPa，屈服强度为300～500MPa，延伸率为10～40％。本发明采用的镍基高温合金具有强度高、抗蠕变、耐海水和应力腐蚀性能优异等优点；不锈钢具有成本低以及优异的抗腐蚀性和力学性能；通过在宏观尺度上连续改变镍基高温合金和不锈钢材料的组成和结构，并且对激光近净成形技术过程中工艺参数的合理调控，制备形成镍基高温合金/不锈钢梯度复合材料，可有效结合两种材料的显著特性，并保证所得复合材料的整体性能和稳定性能，可广泛应用于航空航天、核电和石化行业等工程应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明以镍基高温合金粉末和不锈钢粉末为原料，通过激光近净成形技术制备镍基高温合金/不锈钢梯度复合材料，相比于气相沉积、粉末冶金等传统制备工艺，可实现无模制造以及大型复杂零部件的直接制造；尤其针对梯度材料界面连接处的成型可实现成分与结构的精确调控，且涉及的生产周期短，原材料利用率提高，适合推广应用；
2)本发明制备的镍基高温合金/不锈钢梯度复合材料，可有效结合两种材料的显著特性，同时有效保证所得复合材料的整体性能，表现出优良的抗拉强度和耐腐蚀性能，非常适合需要在一个组件中具有冲突特性的工程应用；
3)本发明涉及的制备方法简单、易控，原料来源丰富且安全，适合现代化工业生产，能够与现有的传统均质材料联合使用，广泛地运用到航空航天、石油、天然气和化学工业等领域，应用前景广阔。
附图说明
图1为实施例1制备的镍基高温合金/不锈钢梯度复合材料的结构示意图；
图2为实施例1制备的镍基高温合金/不锈钢梯度复合材料的显微硬度分布图；
图3为实施例1～4制备的镍基高温合金/不锈钢梯度复合材料的真应力-应变曲线图；
图4为实施例1～4制备的镍基高温合金/不锈钢梯度复合材料的拉伸断口形貌扫描图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合具体实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
以下实施例中，所述激光近净成型步骤采用美国OPTOMEC公司提供的3D打印机LENS150，使用配备400W IPG激光器和双喷嘴同轴粉末进料系统，包含建筑舱和双送粉桶。
实施例1
一种镍基高温合金/不锈钢梯度复合材料，其结构示意图见图1，具体制备方法包括如下步骤：
1)选用尺寸为150×150×10cm3的轧制316L不锈钢合金板作为基板，先用砂纸打磨基材表面，再用无水乙醇清洁表面油渍；
2)首先在建筑舱内充满高纯氩气(＜1000ppm)，以防止样品在打印过程中氧化；然后，称取适量的Inconel625镍基高温合金粉末和316L不锈钢粉末，其中Inconel625镍基高温合金粉末的平均粒径为93μm，316L不锈钢粉末的平均粒径为90μm，将称取的Inconel625镍基高温合金粉末和316L不锈钢粉末分别投入对应的送粉桶中；通过调整激光近净成形设备的激光功率、送粉速率和扫描速度，将金属粉末直接注入到高功率连续波Nd-YAG激光束在基底形成的熔池系统中，快速熔化凝固，其中由下至上(镍基高温合金粉含量依次为0％、25％、50％、75％、100％)激光功率从325W增加到345W，相邻梯度层功率相差5W；整个过程中Inconel625镍基高温合金送粉速率0增加到6g/min，316L不锈钢送粉速率从6g/min降低到0，扫描速率控制在18～22cm/min；
具体步骤包括：
首先，在不锈钢基板上沉积21层(相同组成)316L不锈钢(每个单层厚度为0.27mm，下同，不再赘述)，具体步骤包括：设置激光功率为325W，送粉速率为6g/min，扫描速率为20cm/min；
其次，在所得316L不锈钢上沉积镍基高温合金/不锈钢梯度复合层，在所述梯度区域中，每个梯度分层中Inconel625镍基高温合金粉占混合原料总质量的百分比逐层(不同组成的复合分层)增加25％(对应316L不锈钢粉体质量百分比降低25％)，梯度区域共18层(3个不同组成的复合分层)，每个梯度分层包含为6个相同组成的单层；具体步骤包括：设置75wt％316L/25wt％Inconel625梯度复合层激光功率为330W，不锈钢送粉速率为4.5g/min，镍基高温合金送粉速率为1.5g/min，扫描速率为20cm/min；50wt％316L/50wt％Inconel625梯度复合层激光功率为335W，不锈钢送粉速率为3g/min，镍基高温合金送粉速率为3g/min，扫描速率为20cm/min；25wt％316L/75wt％Inconel625梯度复合层激光功率为340W，不锈钢送粉速率为1.5g/min，镍基高温合金送粉速率为4.5g/min，扫描速率为20cm/min；
最后，在镍基高温合金/不锈钢梯度复合层的顶部沉积21层(相同组成)Inconel625镍基高温合金；具体步骤包括：设置激光功率为345W，送粉速率为6g/min，扫描速率为20cm/min。
本实施例所述不锈钢基板上沉积的样品共60层，每个单层(相同组成)厚度为0.27mm。
图2为本实施例所得产物的显微硬度分布图，可以看出所得产物的显微硬度随Inconel625镍基高温合金粉含量的增加呈递增趋势。
本实施例所得产物的真应力-应变曲线图见图3，结果表明，所得产物的抗拉强度为740MPa、屈服强度为490MPa、延伸率为15％。
本实施例所得产物的拉伸断口形貌扫描图见图4(a)，断口处可见深韧窝和锐裂边，具有典型的微孔聚集断裂特征，内部结构致密，晶间结合强度较高，有利于在提高强度的同时改善塑性。
实施例2
一种镍基高温合金/不锈钢梯度复合材料，具体制备方法包括如下步骤：
1)选用尺寸为150×150×10cm3的轧制316L不锈钢合金板作为基板先用砂纸打磨基材表面，再用无水乙醇清洁表面油渍；
2)首先在建筑舱内充满高纯氩气(＜1000ppm)，以防止样品在打印过程中氧化；然后，称取适量的Inconel718镍基高温合金粉末和316L不锈钢粉末，其中Inconel718镍基高温合金粉末的平均粒径为91μm，316L不锈钢粉末的平均粒径为90μm，将称取的Inconel718镍基高温合金粉末和316L不锈钢粉末分别投入对应的送粉桶中；通过调整激光近净成形设备的激光功率、送粉速率和扫描速度，将金属粉末直接注入到高功率连续波Nd-YAG激光束在基底形成的熔池系统中，快速熔化凝固，其中激光功率由下至上(镍基高温合金粉含量依次为0％、25％、50％、75％、100％)从325W增加到341W，相邻梯度层功率相差4W；整个过程中Inconel718镍基高温合金送粉速率0增加到6g/min，316L不锈钢送粉速率从6g/min降低到0，扫描速率控制在16～22cm/min；
具体步骤包括：
首先，在不锈钢基板上沉积21层(相同组成)316L不锈钢，具体步骤包括：设置激光功率为325W，送粉速率为6g/min，扫描速率为18cm/min；
其次，在所得316L不锈钢上沉积镍基高温合金/不锈钢梯度复合层，在所述梯度区域中，每个梯度分层中Inconel718镍基高温合金粉占混合原料总质量的逐层(不同组成的复合分层)百分比增加25％(对应316L不锈钢粉体质量百分比降低25％)，梯度区域共18层(3个不同组成的复合分层)，每个梯度分层包含为6个相同组成的单层，具体步骤包括：设置75wt％316L/25wt％Inconel718梯度复合层激光功率为329W，不锈钢送粉速率为4.5g/min，镍基高温合金送粉速率为1.5g/min，扫描速率为20cm/min；50wt％316L/50wt％Inconel718梯度复合层激光功率为333W，不锈钢送粉速率为3g/min，镍基高温合金送粉速率为3g/min，扫描速率为18cm/min；25wt％316L/75wt％Inconel718梯度复合层激光功率为337W，不锈钢送粉速率为1.5g/min，镍基高温合金送粉速率为4.5g/min，扫描速率为18cm/min；
最后，在镍基高温合金/不锈钢梯度复合层的顶部沉积21层(相同组成)Inconel718镍基高温合金；具体步骤包括：设计激光功率为341W，送粉速率为6g/min，扫描速率为18cm/min。
本实施例所述不锈钢基板上沉积的样品共60层，每个单层(相同组成)厚度为0.27mm。
本实施例所得产物的真应力-应变曲线图见图3，结果表明，所得产物的抗拉强度为680MPa、屈服强度为470MPa、延伸率为12％。
本实施例所得产物的拉伸断口形貌扫描图见图4(b)，断口处可见浅窝和微孔，内部结构致密，晶间结合强度较高。
实施例3
一种镍基高温合金/不锈钢梯度复合材料，具体制备方法包括如下步骤：
1)选用尺寸为150×150×10cm3的轧制304L不锈钢合金板作为基板，先用砂纸打磨基材表面，再用无水乙醇清洁表面油渍；
2)首先在建筑舱内充满高纯氩气(＜1000ppm)，以防止样品在打印过程中氧化；然后，称取适量的Inconel625镍基高温合金粉末和304L不锈钢粉末，其中Inconel625镍基高温合金粉末的平均粒径为93μm，304L不锈钢粉末的平均粒径为88μm，将称取的Inconel625镍基高温合金粉末和304L不锈钢粉末分别投入对应的送粉桶中；通过调整激光近净成形设备的激光功率、送粉速率和扫描速度，将金属粉末直接注入到高功率连续波Nd-YAG激光束在基底形成的熔池系统中，快速熔化凝固，其中激光功率由下至上(镍基高温合金粉含量依次为0％、25％、50％、75％、100％)从321W增加到345W，相邻梯度层功率相差6W；整个过程中Inconel625镍基高温合金送粉速率0增加到6g/min，304L不锈钢送粉速率从6g/min降低到0，扫描速率控制在18～20cm/min；
具体步骤包括：
首先，在不锈钢基板上沉积21层(相同组成)304L不锈钢；具体步骤包括：设置激光功率为321W，送粉速率为6g/min，扫描速率为18cm/min；
其次，在304L不锈钢沉积镍基高温合金/不锈钢梯度复合层，在所述梯度区域中，每个梯度分层中Inconel625镍基高温合金粉占混合原料总质量的百分比逐层(不同组成的复合分层)增加25％(对应304L不锈钢粉体质量百分比降低25％)，梯度区域共18层(3个不同组成的复合分层)，每个梯度分层包含为6个相同组成的单层；具体步骤包括：设置75wt％304L/25wt％Inconel625梯度复合层激光功率为327W，不锈钢送粉速率为4.5g/min，镍基高温合金送粉速率为1.5g/min，扫描速率为20cm/min；50wt％304L/50wt％Inconel625梯度复合层激光功率为333W，不锈钢送粉速率为3g/min，镍基高温合金送粉速率为3g/min，扫描速率为18cm/min；25wt％304L/75wt％Inconel625梯度复合层激光功率为339W，不锈钢送粉速率为1.5g/min，镍基高温合金送粉速率为4.5g/min，扫描速率为18cm/min；
最后，在镍基高温合金/不锈钢梯度复合层的顶部沉积21层(相同组成)Inconel625镍基高温合金，具体步骤包括：设计激光功率为345W，送粉速率为6g/min，扫描速率为18cm/min。
本实施例所述不锈钢基板上沉积的样品共60层，每个单层(相同组成)厚度为0.27mm。
本实施例所得产物的真应力-应变曲线图见图3，结果表明，所得产物的抗拉强度为600MPa、屈服强度为410MPa、延伸率为14％。
本实施例所得产物的拉伸断口形貌扫描图见图4(c)，断口处可见深韧窝，为典型的微孔聚集型断裂，塑性较好，断口处存在细小的第二相颗粒。
实施例4
一种镍基高温合金/不锈钢梯度复合材料，具体制备方法包括如下步骤：
1)选用尺寸为150×150×10cm3的轧制304L不锈钢合金板作为基板，先用砂纸打磨基材表面，再用无水乙醇清洁表面油渍；
2)首先在建筑舱内充满高纯氩气(＜1000ppm)，以防止样品在打印过程中氧化；然后，称取适量的Inconel718镍基高温合金粉末和304L不锈钢粉末，其中Inconel718镍基高温合金粉末的平均粒径为91μm，304L不锈钢粉末的平均粒径为88μm，将称取的Inconel718镍基高温合金粉末和304L不锈钢粉末分别投入对应的送粉桶中；通过调整激光近净成形设备的激光功率、送粉速率和扫描速度，将金属粉末直接注入到高功率连续波Nd-YAG激光束在基底形成的熔池系统中，快速熔化凝固，其中激光功率由下至上(镍基高温合金粉含量依次为0％、25％、50％、75％、100％)从321W增加到341W，相邻梯度层功率相差5W；整个过程中Inconel718镍基高温合金送粉速率0增加到6g/min，304L不锈钢送粉速率从6g/min降低到0，扫描速率控制在16～20cm/min；
具体步骤包括：
首先，在不锈钢基板上沉积21层(相同组成)304L不锈钢，具体步骤包括：设计激光功率为321W，送粉速率为6g/min，扫描速率为20cm/min；
其次，在所得304L不锈钢上沉积镍基高温合金/不锈钢梯度复合层，在所述梯度区域中，每个梯度分层中Inconel718镍基高温合金粉占混合原料总质量的百分比逐层(不同组成的复合分层)增加25％(对应304L不锈钢粉体质量百分比降低25％)，梯度区域共18层(3个不同组成的复合分层)，每个梯度分层包含为6个相同组成的单层；具体步骤包括：设置75wt％304L/25wt％Inconel718梯度复合层激光功率为326W，不锈钢送粉速率为4.5g/min，镍基高温合金送粉速率为1.5g/min，扫描速率为18cm/min；50wt％304L/50wt％Inconel718梯度复合层激光功率为331W，不锈钢送粉速率为3g/min，镍基高温合金送粉速率为3g/min，扫描速率为18cm/min；25wt％304L/75wt％Inconel718梯度复合层激光功率为336W，不锈钢送粉速率为1.5g/min，镍基高温合金送粉速率为4.5g/min，扫描速率为20cm/min；
最后，在镍基高温合金/不锈钢梯度复合层的顶部沉积21层(相同组成)Inconel718镍基高温合金；具体步骤包括：设置激光功率为341W，送粉速率为6g/min，扫描速率为20cm/min。
本实施例所述不锈钢基板上沉积的样品共60层，每个单层(相同组成)厚度为0.27mm。
本实施例所得产物的真应力-应变曲线图见图3，结果表明，所得产物的抗拉强度为620MPa、屈服强度为420MPa、延伸率为11％。
本实施例所得产物的拉伸断口形貌扫描图见图4(d)，断口处可见深韧窝和撕裂边，晶间结合较为致密。
实施例5
一种镍基高温合金/不锈钢梯度复合材料，具体制备方法包括如下步骤：
1)选用尺寸为150×150×10cm3的轧制316L不锈钢合金板作为基板，先用砂纸打磨基材表面，再用无水乙醇清洁表面油渍；
2)首先在建筑舱内充满高纯氩气(＜1000ppm)，以防止样品在打印过程中氧化；然后，称取适量的Inconel625镍基高温合金粉末和316L不锈钢粉末，其中Inconel625镍基高温合金粉末的平均粒径为93μm，316L不锈钢粉末的平均粒径为90μm，将称取的Inconel625镍基高温合金粉末和316L不锈钢粉末分别投入对应的送粉桶中；通过调整激光近净成形设备的激光功率、送粉速率和扫描速度，将金属粉末直接注入到高功率连续波Nd-YAG激光束在基底形成的熔池系统中，快速熔化凝固，其中激光功率由下至上(镍基高温合金粉含量依次为0％、20％、40％、60％、80％、100％)从325W增加到350W，相邻梯度层功率相差5W，Inconel625镍基高温合金送粉速率0增加到6g/min；整个过程中316L不锈钢送粉速率从6g/min降低到0，扫描速率控制在18～22cm/min；
具体步骤包括：
首先，在不锈钢基板上沉积14层(相同组成)316L不锈钢，具体步骤包括：设置激光功率为325W，送粉速率为6g/min，扫描速率为20cm/min；
其次，在所得316L不锈钢上沉积镍基高温合金/不锈钢梯度复合层，在所述梯度区域中，每个梯度分层中Inconel625镍基高温合金粉占混合原料总质量的百分比逐层(不同组成的复合分层)增加20％(对应316L不锈钢粉体质量百分比降低20％)，梯度区域共32层(4个不同组成的复合分层)，每个梯度分层包含8个相同组成的单层；具体步骤包括：设置80wt％316L/20wt％Inconel625梯度复合层激光功率为330W，不锈钢送粉速率为4.8g/min，镍基高温合金送粉速率为1.2g/min，扫描速率为22cm/min；60wt％316L/40wt％Inconel625梯度复合层激光功率为335W，不锈钢送粉速率为3.6g/min，镍基高温合金送粉速率为2.4g/min，扫描速率为20cm/min；40wt％316L/60wt％Inconel625梯度复合层激光功率为340W，不锈钢送粉速率为2.4g/min，镍基高温合金送粉速率为3.6g/min，扫描速率为20cm/min；20wt％316L/80wt％Inconel625梯度复合层激光功率为345W，不锈钢送粉速率为1.2g/min，镍基高温合金送粉速率为4.8g/min，扫描速率为20cm/min；
最后，在镍基高温合金/不锈钢梯度复合层的顶部沉积14层(相同组成)Inconel625镍基高温合金；具体步骤包括：设置激光功率为350W，送粉速率为6g/min，扫描速率为20cm/min。
本实施例所述不锈钢基板上沉积的样品共60层，每个单层(相同组成)厚度为0.27mm。
经测试，本实施例所得产物的抗拉强度为640MPa、屈服强度为430MPa、延伸率为12％。
对比例
一种镍基高温合金/不锈钢梯度复合材料，具体制备方法包括如下步骤：
1)选用尺寸为150×150×10cm3的轧制316L不锈钢合金板作为基板，先用砂纸打磨基材表面，再用无水乙醇清洁表面油渍；
2)首先在建筑舱内充满高纯氩气(＜1000ppm)，以防止样品在打印过程中氧化；然后，称取适量的Inconel625镍基高温合金粉末和316L不锈钢粉末，其中Inconel625镍基高温合金粉末的平均粒径为93μm，316L不锈钢粉末的平均粒径为90μm，将称取的Inconel625镍基高温合金粉末和316L不锈钢粉末分别投入对应的送粉桶中；通过调整激光近净成形设备的送粉速率和扫描速度，将金属粉末直接注入到高功率连续波Nd-YAG激光束在基底形成的熔池系统中，快速熔化凝固，其中由下至上(镍基高温合金粉含量依次为0％、25％、50％、75％、100％)激光功率保持325W；整个过程中Inconel625镍基高温合金送粉速率0增加到6g/min，316L不锈钢送粉速率从6g/min降低到0，扫描速率控制在18～22cm/min；
具体步骤包括：
首先，在不锈钢基板上沉积21层(相同组成)316L不锈钢，具体步骤包括：设置激光功率为325W，送粉速率为6g/min，扫描速率为20cm/min；
其次，在所得316L不锈钢上沉积镍基高温合金/不锈钢梯度复合层，在所述梯度区域中，每个梯度分层中Inconel625镍基高温合金粉占混合原料总质量的百分比逐层(不同组成的复合分层)增加25％(对应316L不锈钢粉体质量百分比降低25％)，梯度区域共18层(3个不同组成的复合分层)，每个梯度分层包含为6个相同组成的单层；具体步骤包括：设置75wt％316L/25wt％Inconel625梯度复合层激光功率为325W，不锈钢送粉速率为4.5g/min，镍基高温合金送粉速率为1.5g/min，扫描速率为20cm/min；50wt％316L/50wt％Inconel625梯度复合层激光功率为325W，不锈钢送粉速率为3g/min，镍基高温合金送粉速率为3g/min，扫描速率为20cm/min；25wt％316L/75wt％Inconel625梯度复合层激光功率为325W，不锈钢送粉速率为1.5g/min，镍基高温合金送粉速率为4.5g/min，扫描速率为20cm/min；
最后，在镍基高温合金/不锈钢梯度复合层的顶部沉积21层(相同组成)Inconel625镍基高温合金；具体步骤包括：设置激光功率为325W，送粉速率为6g/min，扫描速率为20cm/min。
本实施例所述不锈钢基板上沉积的样品共60层，每个单层(相同组成)厚度为0.27mm。
经测试，本实施例所得产物所得产物的抗拉强度为600MPa、屈服强度为320MPa、延伸率为8％。相较于实施例1，抗拉强度和屈服强度分别下降19％和35％。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种镍基高温合金/不锈钢梯度复合材料的制备方法，其特征在于，所述镍基高温合金/不锈钢梯度复合材料包括依次设置的不锈钢层、镍基高温合金/不锈钢梯度复合层和镍基高温合金层，其中镍基高温合金/不锈钢梯度复合层包括若干个镍基高温合金含量呈梯度变化的复合分层，所述复合分层以不锈钢粉和镍基高温合金粉为原料进行激光近净成形得到；
具体制备方法包括：
1）在基材表面设置不锈钢层；
2）采用激光近净成形技术，以不锈钢粉和镍基高温合金粉为原料，在不锈钢层表面设置由若干个镍基高温合金含量梯度递增的镍基高温合金/不锈钢梯度复合分层组成的镍基高温合金/不锈钢梯度复合层；
3）以镍基高温合金粉为原料，进行激光近净成形，在镍基高温合金/不锈钢梯度复合层表面设置镍基高温合金层；
所述镍基高温合金/不锈钢梯度复合层中，镍基高温合金的含量沿自不锈钢层向镍基高温合金层的方向梯度递增；
所述镍基高温合金粉以占不锈钢粉和镍基高温合金粉总质量25~50wt%的增量要求进行逐层梯度递增；
所述不锈钢层的制备过程中，采用的激光近净成形步骤包括：设置激光功率为200~350W，不锈钢粉的送粉速率为2~10g/min，扫描速率为10~50cm/min；
所述镍基高温合金/不锈钢梯度复合层的制备过程中，采用的激光近净成形步骤包括：设置激光功率为250~345W，不锈钢粉的送粉速率为1.5~5g/min，镍基高温合金粉的送粉速率为1.5~5g/min，扫描速率为10~50cm/min；其中，梯度复合层中根据不锈钢和镍基高温合金的设计比例，调整对应的送粉速率，且各相邻梯度复合分层之间不锈钢粉和镍基高温合金粉的送粉速率之和相同；相邻的两个梯度复合分层之间的激光功率相差3~8W；
所述镍基高温合金层的制备过程中，采用的激光近净成形步骤包括：设计激光功率为300~450W，送粉速率为2~10g/min，扫描速率为10~50cm/min。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述不锈钢粉和镍基高温合金粉均为微米级粉末。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述激光近净成形技术采用保护气氛。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述激光近净成形步骤中，按照设计的梯度组分、梯度层数及每层中各组分含量，将所需的不锈钢粉或镍基高温合金粉投入粉末筒中，调整激光近净成形设备的激光功率、送粉速率和扫描速度，将不锈钢粉和/或镍基高温合金粉直接注入到高功率连续波Nd-YAG激光束在基底形成的熔池系统中，快速熔化凝固，其中通过设置双送粉桶不同送粉速率的比例变化，从而控制复合分层组分的相对变化，使镍基高温合金粉的质量百分比自下而上在0%至100%的范围内呈连续梯度变化，进而制得所述镍基高温合金/不锈钢梯度复合材料。
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