CN114749670A - 超声冲击和3d打印制备氢能发动机涡轮增压叶片的方法 - Google Patents

超声冲击和3d打印制备氢能发动机涡轮增压叶片的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及超声冲击和3D打印制备氢能发动机涡轮增压叶片的方法，属于氢燃料电池涡轮增压领域。分别制备含金刚石微粉碳纳米管粉末和镍基体材料粉末，将两种粉末材料机械混合均匀后，将两种粉末材料机械混合均匀后，采用激光选区熔覆设备做出涡轮增压叶片，最后再运用超声波纳米化技术消除残余应力，提高氢能发动机的压缩机涡轮增压叶片的强度、精度、耐磨性和疲劳性能，使其具有较高的温氧化、抗高温蠕变性，同时，改涡轮增压叶片适合大批量稳定生产。

Description

超声冲击和3D打印制备氢能发动机涡轮增压叶片的方法
技术领域
本发明涉及涡轮增压领域，尤其涉及的是一种高强度、高韧性镍基氢燃料电池涡轮增压叶片的制备方法。
背景技术
燃机涡轮叶片的制造一般先采用熔模铸造出毛坯，再进行去材料机械加工，最后得到所需尺寸的叶片零件。制造周期较长，包括从工装夹具的设计制造，毛坯熔模铸造，到最后的去材料机械加工，其工艺过程复杂且周期长，容易产生质量问题。而且，小批量制造成本较高，除了需要考虑大量工装夹具费用之外，还需要考虑铸造所需的蜡模模具设计制造费、陶瓷型芯的模具设计制造费，以及机械加工所需的磨工夹具设计制造费。现有新型结构的气冷空心叶片内部结构更加复杂，采用熔模铸造的K403合金抗高温硫化腐蚀性能较差，叶片使用寿命较短，且加工精度难以保证。因此，需要一种制造周期短、成本相对低的方法生产出涡轮增压叶片，同时制造出来的叶片需能在高温(＞800℃)高腐蚀(杂质含量和硫含量较高)环境下长时间使用。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种高强度、高韧性镍基氢燃料电池涡轮增压叶片，显著提高涡轮增压叶片的强度、韧性、硬度、耐磨性和高疲劳性能，还有较高的温氧化、抗高温蠕变性。同时，该涡轮增压叶片适合大批量稳定生产。
本发明专利的技术方案是：该材料制备方法为分别制备含金刚石微粉碳纳米管粉末和镍基体材料粉末，将两种粉末材料机械混合均匀后，采用激光选区熔覆设备做出涡轮增压叶片，最后再运用超声波纳米化技术消除残余应力，提高氢能发动机的压缩机涡轮增压叶片的强度、精度、耐磨性和疲劳性能，还有较高的温氧化、抗高温蠕变性。其具体方案如下：
1、含金刚石微粉碳纳米管粉末的制备
将直径约为80nｍ的普通多壁碳纳米管（型号TNIM8，纯度大于90%，长度范围为20-30um）、经表面净化处理和预石墨化处理的粒径范围为5-20μｍ的人造金刚石微粉和含量范围为18-22％的粘结剂Co粉按重量百分比（1%-5%）：（73%-81%）：（14%-26%），放入三维混料机进行混料，混料机转速：90土10r/min，混料时间为：8-24h；放入球磨机内进行粉碎，过程中料与小球的重量比：1：3-1：5，然后加入无水乙醇，料和小球与无水乙醇体积比为：1：5，球磨机参数为公转：110-160r/min，自转：90-120r/min，球磨时间为：6-24h；在真空干燥箱60-80℃条件下烘12-36h，得到干燥的混合料；将得到的粉剂放入管式真空炉，在真空条件下通入一定量的氢气或氩气，保持压力10-3-10-5Pa，温度700-850℃的条件下进行焙烧，并保温时间：6-12h；冷却至室温；
2、镍基体材料粉末的制备
镍基体粉末材料的化学成分和重量百分比为：Co：0.3-1%；Ta：0.1-0.5%；Ti：0.2-0.6%；Nb：0.1-0.6%，Mo：0.2-0.8%，V：0.1-0.5%其余为镍；
将按比例配制的高强度镍基合金粉末加无水乙醇于球磨机中进行机械化球磨24小时，获得具有50-150um晶粒尺寸超细粉末；为获得最佳的综合力学性能和学腐蚀性能，严格控制杂质的含量，夹杂元素总量不大于0.2%；
3、含金刚石微粉碳纳米管和镍基体材料混合粉末的制备
金刚石微粉碳纳米管粉末在镍基体材料混合粉末中的重量含量为5-10%，采用机械混合法将金刚石微粉碳纳米管与镍基体材料混合粉末按重量百分比为(5-10)：(95-90)的比例配制为金刚石微粉碳纳米管增韧高强度镍基合金材料粉末。
4、激光选区熔覆制备
将建好的三维模型文件导入设备系统中，再将制备得到的纳米混合粉末添加到激光选区熔覆设备中，由激光熔覆和3D打印结合，根据三维模型快速成形出涡轮增压叶片。镍基合金粉末激光熔化前进行惰性气体保护，惰性气体采用氩气。
5、热处理工序
将激光选区熔覆技术制备出的涡轮增压叶片中进行至少三次热处理，第一次热处理采用加热温度1100℃～1200℃保温2h～3h后空冷；第二次热处理采用加热温度850℃～950℃保温7h～8h后空冷；第三次热处理采用加热温度700℃～850℃保温20h～30h后空冷；
6、超声纳米化技术消除残余应力
将热处理后的涡轮叶片利用超声纳米化技术，以每秒二万次以上的频率冲击涡轮增压叶片叶根及表面，由于超声冲击的高频、高效和聚焦下的二大能量，使金属表层产生较大的压缩塑性变形，形成纳米表层；同时，超声冲击波改变了原有的应力场，产生一定数值的压应力；并使被冲击部位得以强化。
本发明的积极进步效果在于：
1、具有强韧性、耐磨性、强度显著提高，增强颗粒尺寸细小，分布均匀，组织稳定性高，有较高的温氧化、抗高温蠕变性，合金组织稳定性好，不会分解有毒气体或有毒溶解物。
2、激光选区熔覆结合3D打印涡轮叶片的制备方法实现叶片制造无模具化，其制造周期短，成本低廉。可加工内部结构复杂的零件，加工获得的零件质量可靠性高，尺寸精度高，结构性能稳定。
3、本发明利用了碳纳米管增强增韧作用和超声纳米化技术控制消除残余应力等，有效地提高了涡轮叶片的抗冲击韧性、增强了涡轮叶片运行过程的稳定性，延长了涡轮叶片寿命；碳纳米管的存在，更能在金刚石颗粒之间形成导热通道，大大提涡轮叶片中的导热效果。
具体实施方式：
实例1
（1）含金刚石微粉碳纳米管粉末的制备：将直径约为80nｍ的普通多壁碳纳米管（型号TNIM8，纯度大于90%，长度范围为20-30um）、经表面净化处理和预石墨化处理的粒径范围为5-20μｍ的人造金刚石微粉和含量范围为18-22％的粘结剂Co粉按重量百分比5%：75%：20%，放入三维混料机进行混料，混料机转速：90土10r/min，混料时间为：16h；放入球磨机内进行粉碎，过程中料与小球的重量比：1：3，然后加入无水乙醇，料和小球与无水乙醇体积比为：1：5，球磨机参数为公转：120r/min，自转：100r/min，球磨时间为：16h；在真空干燥箱60℃条件下烘24h，得到干燥的混合料；将得到的粉剂放入管式真空炉，在真空条件下通入一定量的氢气或氩气，保持压力10-3Pa，温度750℃的条件下进行焙烧，并保温时间：12h；冷却至室温。
（2）镍基体材料粉末的制备
镍基体粉末材料的化学成分和重量百分比为：Co：0.5%；Ta：0.2%；Ti：0.3%；Nb：0.2%，Mo：0.4%，V：0.1%其余为镍；
将按比例配制的高强度镍基合金粉末加无水乙醇于球磨机中进行机械化球磨24小时，获得具有50-150um晶粒尺寸超细粉末；本发明为获得最佳的综合力学性能和学腐蚀性能，严格控制杂质的含量，夹杂元素总量不大于0.2%；
（3）含金刚石微粉碳纳米管和镍基体材料混合粉末的制备
金刚石微粉碳纳米管粉末在镍基体材料混合粉末中的重量含量为5-10%，采用机械混合法将金刚石微粉碳纳米管与镍基体材料混合粉末按重量百分比为5：95的比例配制为金刚石微粉碳纳米管增韧高强度镍基合金材料粉末；
（4）激光选区熔覆制备
将建好的三维模型文件导入设备系统中，再将制备得到的纳米混合粉末添加到激光选区熔覆设备中，由激光熔覆和3D打印结合，根据三维模型快速成形出涡轮增压叶片；镍基合金粉末激光熔化前进行惰性气体保护，惰性气体采用氩气；
（5）热处理工序
将激光选区熔覆技术制备出的涡轮增压叶片中进行至少三次热处理，第一次热处理采用加热温度1100℃保温2h后空冷；第二次热处理采用加热温度850℃保温7h后空冷；第三次热处理采用加热温度700℃保温20h后空冷；
（6）超声纳米化技术消除残余应力
将热处理后的涡轮叶片利用超声纳米化技术，以每秒二万次以上的频率冲击涡轮增压叶片叶根及表面，由于超声冲击的高频、高效和聚焦下的二大能量，使金属表层产生较大的压缩塑性变形，形成纳米表层；同时，超声冲击波改变了原有的应力场，产生一定数值的压应力；并使被冲击部位得以强化；
实列二
（1）含金刚石微粉碳纳米管粉末的制备
将直径约为80nｍ 的普通多壁碳纳米管（型号TNIM8，纯度大于90%，长度范围为20-30um）、经表面净化处理和预石墨化处理的粒径范围为5-20μｍ 的人造金刚石微粉和含量范围为18-22％的粘结剂Co粉按重量百分比2%：80%：18%，放入三维混料机进行混料，混料机转速：90土10r/min，混料时间为：8-24h；放入球磨机内进行粉碎，过程中料与小球的重量比：1：5，然后加入无水乙醇，料和小球与无水乙醇体积比为：1：5，球磨机参数为公转：160r/min，自转：120r/min，球磨时间为：24h；在真空干燥箱80℃条件下烘12h，得到干燥的混合料；将得到的粉剂放入管式真空炉，在真空条件下通入一定量的氢气或氩气，保持压力10- 5Pa，温度850C的条件下进行焙烧，并保温时间：12h；冷却至室温；
2、镍基体材料粉末的制备
镍基体粉末材料的化学成分和重量百分比为：Co：1%；Ta：0.5%；Ti：0.5%；Nb：0.5%，Mo：0.4%，V：0.5%其余为镍；
将按比例配制的高强度镍基合金粉末加无水乙醇于球磨机中进行机械化球磨24小时，获得具有50-150um晶粒尺寸超细粉末；本发明为获得最佳的综合力学性能和学腐蚀性能，严格控制杂质的含量夹杂元素总量不大于0.2%；
3、含金刚石微粉碳纳米管和镍基体材料混合粉末的制备
金刚石微粉碳纳米管粉末在镍基体材料混合粉末中的重量含量为8%，采用机械混合法将金刚石微粉碳纳米管与镍基体材料混合粉末按重量百分比为8：92的比例配制为金刚石微粉碳纳米管增韧高强度镍合金材料粉末；
4、激光选区熔覆制备
将建好的三维模型文件导入设备系统中，再将制备得到的纳米混合粉末添加到激光选区熔覆设备中，由激光熔覆和3D打印结合，根据三维模型快速成形出涡轮增压叶片；镍基合金粉末激光熔化前进行惰性气体保护，惰性气体采用氩气 ；
5、热处理工序
将激光选区熔覆技术制备出的涡轮增压叶片中进行至少三次热处理，第一次热处理采用加热温度1100℃保温2h后空冷；第二次热处理采用加热温度850℃保温7h后空冷；第三次热处理采用加热温度700℃保温20h后空冷
6、超声纳米化技术消除残余应力
将热处理后的涡轮叶片利用超声纳米化技术，以每秒二万次以上的频率冲击涡轮增压叶片叶根及表面，由于超声冲击的高频、高效和聚焦下的二大能量，使金属表层产生较大的压缩塑性变形，形成纳米表层；同时，超声冲击波改变了原有的应力场，产生一定数值的压应力；并使被冲击部位得以强化。

Claims (3)

1.超声冲击和3D打印制备氢能发动机涡轮增压叶片的方法，其特征在于：为分制备含金刚石微粉碳纳米管粉末和镍基体材料粉末，将两种粉末材料机械混合均匀后，采用激光选区熔化设备结合3D打印做出涡轮增压叶片，最后再运用超声波纳米化技术消除残余应力，提高氢能发动机的压缩机涡轮增压叶片的强度、精度、耐磨性和疲劳性能，还有较高的温氧化、抗高温蠕变性；其具体方案如下：
（1）含金刚石微粉碳纳米管粉末的制备：将直径约为80nｍ的普通多壁碳纳米管（型号TNIM8，纯度大于90%，长度范围为20-30um）、经表面净化处理和预石墨化处理的粒径范围为5-20μｍ的人造金刚石微粉和含量范围为18-22％的粘结剂Co粉按重量百分比（1%-5%）：（73%-81%）：（14%-26%），放入三维混料机进行混料，混料机转速：90土10r/min，混料时间为：8-24h；放入球磨机内进行粉碎，过程中料与小球的重量比：1：3-1：5，然后加入无水乙醇，料和小球与无水乙醇体积比为：1：5，球磨机参数为公转：110-160r/min，自转：90-120r/min，球磨时间为：6-24h；在真空干燥箱60-80℃条件下烘12-36h，得到干燥的混合料；将得到的粉剂放入管式真空炉，在真空条件下通入一定量的氢气或氩气，保持压力10-3-10-5Pa，温度700-850℃的条件下进行焙烧，并保温时间：6-12h，冷却至室温；
（2）镍基合金材料粉末的制备：镍基粉末材料的化学成分和重量百分比为：Co：0.3-1%；Ta：0.1-0.5%；Ti：0.2-0.6%；Nb：0.1-0.6%，Mo：0.2-0.8%，V：0.1-0.5%其余为镍；将按比例配制的高强度镍基合金粉末加无水乙醇于球磨机中进行机械化球磨24小时，获得具有50-150um晶粒尺寸超细粉末；本发明为获得最佳的综合力学性能和学腐蚀性能，严格控制杂质的含量，夹杂元素总量不大于0.2%；
（3）含金刚石微粉碳纳米管和镍基材料混合粉末的制备：金刚石微粉碳纳米管粉末在镍基体材料混合粉末中的重量含量为5-10%，采用机械混合法将金刚石微粉碳纳米管与镍基材料混合粉末按重量百分比为(5-10)：(95-90)的比例配制为金刚石微粉碳纳米管增韧高强度镍基合金材料粉末；
（4）激光选区熔覆制备：将建好的三维模型文件导入设备系统中，再将制备得到的纳米混合粉末添加到激光选区熔覆设备中，由激光熔覆和3D打印结合，根据三维模型快速成形出涡轮增压叶片；镍基合金粉末激光熔化前进行惰性气体保护，惰性气体采用氩气；
（5）热处理工序：将激光选区熔覆技术制备出的涡轮增压叶片中进行至少三次热处理；
（6）超声纳米化技术消除残余应力：通过采用超声纳米化技术对叶片的表面改性强化，使基体表面发生严重塑形变形，表面获得梯度纳米晶/微晶变形强化层，该强化层具有很好的化学活性，表面附近区域存在高体积分数的非平衡晶界；同时，超声冲击波改变了原有的应力场，在叶片表面产生理想的压应力，使其疲劳强度大大提高。
2.根据权利要求1所述的超声冲击和3D打印制备氢能发动机涡轮增压叶片的方法，其特征是：工艺方案（4）中在106pa真空条件下逐步加热除气，然后在1480-1650℃，50-200Mpa条件下打印出涡轮增压叶片。
3.根据权利要求1所述的超声冲击和3D打印制备氢能发动机涡轮增压叶片的方法，其特征是：工艺方案（5）中要经过三次热处理工艺；其工艺温度为：第一次热处理采用加热温度1100℃～1200℃保温2h～3h后空冷；第二次热处理采用加热温度850℃～950℃保温7h～8h后空冷；第三次热处理采用加热温度700℃～850℃保温20h～30h后空冷。
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CN116851779A (zh) * 2023-09-04 2023-10-10 华南理工大学 一种耐腐蚀、高过滤的高温镍基合金多级过滤器制备方法

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CN116851779A (zh) * 2023-09-04 2023-10-10 华南理工大学 一种耐腐蚀、高过滤的高温镍基合金多级过滤器制备方法
CN116851779B (zh) * 2023-09-04 2024-01-02 华南理工大学 一种耐腐蚀、高过滤的高温镍基合金多级过滤器制备方法

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