CN114934211A

CN114934211A - 镍基高温合金、镍基高温合金粉末和镍基高温合金构件

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Publication number: CN114934211A
Application number: CN202210856128.2A
Authority: CN
Inventors: 王瑞; 张喆; 张鹏; 王睿; 谢锦丽; 毕中南
Original assignee: Gaona Aero Material Co Ltd
Current assignee: Gaona Aero Material Co Ltd
Priority date: 2022-07-21
Filing date: 2022-07-21
Publication date: 2022-08-23
Anticipated expiration: 2042-07-21
Also published as: CN114934211B

Abstract

本发明涉及镍基高温合金技术领域，尤其是涉及镍基高温合金、镍基高温合金粉末和镍基高温合金构件。该镍基高温合金，由按质量百分数计的如下组分组成：Cr 9%~16%、Co 8%~15%、Al 4.3%~5.5%、Ti 0.3%~0.5%、Mo 0.65%~0.9%、W 9.8%~15%、Ta 2.7%~3.4%、Zr 0.006%~0.016%、B 0.015%~0.08%、C 0.05%~0.8%，余量为Ni和不可避免的杂质。该镍基高温合金具有优异的可打印性能和力学性能，由其制得的镍基高温合金粉末在增材制造后，无微裂纹出现，且力学性能优异。

Description

镍基高温合金、镍基高温合金粉末和镍基高温合金构件

技术领域

本发明涉及镍基高温合金技术领域，尤其是涉及镍基高温合金、镍基高温合金粉末和镍基高温合金构件。

背景技术

目前，镍基高温合金具有高强度和在650~1000℃下的耐腐蚀性，是航空喷气发动机和燃气轮机导向叶片等关键零部件的主要材料，但这类零部件一般结构复杂，精度要求高。传统的加工方法，如锻造、铸造和铣削等难以满足使用要求。选择性激光熔化（SLM）作为一种发展迅速的先进制造技术，可以实现复杂形状零件的直接成形制造，在成形精度，材料损耗等方面具有显著优势，已广泛应用在航空航天、医疗和汽车领域。目前对于Inconel628、Inconel718合金已经有着较为成熟的增材制造体系，并在航空航天、汽车等领域大力开展。

在增材制造系统中比较成熟的镍基高温合金，如Inconel625、Inconel718合金，由于自身Al、Ti含量较低，没有足够数量的γ′相来强化合金，致使其在室温和高温的性能较差。而高性能镍基高温合金，如Inconel738LC合金，在增材制造的过程中由于残余应力过大而容易开裂，导致成型性较差，严重限制了其在关键部件中的应用。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种镍基高温合金，该合金具有优异的可打印性能和力学性能。

本发明的第二目的在于提供一种镍基高温合金粉末，避免了镍基高温合金粉末在增材制造过程中由于粉末流动性差而出现铺粉不均匀的问题。

本发明的第三目的在于提供一种镍基高温合金构件，该构件具有良好的致密度，无微裂纹、匙孔等缺陷，且力学性能优异。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

本发明提供了一种镍基高温合金，由按质量百分数计的如下组分组成：

Cr 9%~16%、Co 8%~15%、Al 4.3%~5.5%、Ti 0.3%~0.5%、Mo 0.65%~0.9%、W 9.8%~15%、Ta 2.7%~3.4%、Zr 0.006%~0.016%、B 0.015%~0.08%、C 0.05%~0.8%，余量为Ni和不可避免的杂质。

本发明还提供了一种镍基高温合金粉末，由如上所述的镍基高温合金制得。

本发明还提供了一种镍基高温合金构件，由如上所述的镍基高温合金粉末经激光选区熔化制得。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种镍基高温合金，通过控制合金成分中Al、Ti、Mo和Ta等元素的含量，各成分的相互配合，提高了γ′相固溶温度和体积分数，有效改善了合金的抗高温氧化性、抗热腐蚀性能和抗裂纹扩展能力等。采用该镍基高温合金制得的镍基高温合金粉末在增材制造后可得到结构复杂的构件，其冶金结合良好，没有出现微裂纹、匙孔等缺陷；致密度、屈服强度、拉伸强度等性能得到明显提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的镍基高温合金构件的金相图。

图2为本发明实施例1的镍基高温合金构件的微观组织图。

图3为本发明实施例1的镍基高温合金构件、实施例2的镍基高温合金构件和对比例1的CM247LC合金构件的应力与应变的关系图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本发明实施例的镍基高温合金、镍基高温合金粉末和镍基高温合金构件进行具体说明。

本发明的一些实施方式中提供了一种镍基高温合金，由按质量百分数计的如下组分组成：

Cr元素可以固溶在基体中，可以有效提高合金的抗氧化和耐腐蚀能力，并且促进颗粒状M₂₃C₆在晶界析出，起到晶界强化的作用；然而合金中Cr含量过高将析出有害第二相，严重影响合金的力学性能。

Co元素的加入可以降低γ基体的堆垛层错能，起到固溶强化的作用，从而提高合金的持久强度和抗蠕变能力。但过高的Co元素会致使合金高温性能下降。

Al和Ti是形成γ′相的主要元素，镍基高温合金的高温性能主要取决于Al和Ti的总量以及Ti/Al比，增加Al和Ti的总量可明显提高γ′相固溶温度和体积分数，有效改善合金的抗高温氧化性和抗热腐蚀性能；但Ti/Al比过高将促使γ′相向η-Ni₃Ti转变，使合金脆化，降低强度和塑性。

Mo元素对于γ基体有很强的固溶效果，同时能提高原子间的结合力，提高合金的再结晶温度和扩散激活能，从而有效的提高合金的热强性。但是，Mo含量过高时容易在γ基体中析出μ相，大量棒状μ相的存在会严重损害高温合金的持久性能。

W元素可以对基体起到固溶强化的作用，W的加入会引起晶格膨胀，使位错的运动受限，实现了增强合金强度的作用，但过量的W元素会促进有害的TCP相产生。

Ta元素的加入可以增大γ/γ′相之间的错配度，强化γ′相和提高γ′相的高温稳定性，但过量的Ta却会使合金抗裂纹扩展能力降低。

Zr元素偏聚于晶界可以提高晶界强度，改善碳化物形貌和分布的结果，但是过量的Zr会明显增加合金凝固结晶时的热裂倾向。

B元素作为重要的晶界和枝晶间强化元素，可以作为组织稳定化元素加入合金，有利于提高合金的组织稳定性，并且当B元素在最佳含量时，高温持久寿命将得到明显提高。

C是晶界强化元素，在增材制造中碳化物一般以细小的弥散物偏聚于晶界处，可以有效钉扎位错，提高位错的运动阻力，改善合金的综合性能。但是，当合金中含有过多C时，将会形成数量较多的大尺寸碳化物，导致晶界变脆，使合金的延展性明显下降。

本发明通过控制镍基高温合金中Al、Ti、Mo和Ta等元素的含量，可溶形成足够的γ′相，提高γ′相固溶温度和体积分数，有效改善合金的抗高温氧化性、抗热腐蚀性能、抗裂纹扩展能力等；相比于其他镍基高温合金，本发明的镍基高温合金，在不含有Hf、Nb、Mn、S等其他元素的基础上，降低了微裂纹的产生，并且提高了致密度、屈服强度和拉伸强度等性能。

本发明的镍基高温合金具有良好的打印性能和力学性能，采用该制得的粉末，在增材制造后，即通过SLM可打印出致密的、无裂纹的、力学性能优异的复杂构件，可满足航空喷气发动机和燃气轮机导向叶片等关键零部件对于镍基高温合金性能的要求。

如在不同实施方式中，镍基高温合金中，各组分的质量百分数可分别如下，但不局限于此：

Cr的质量百分数，典型但非限制性的，例如，可以为9%、9.5%、10%、10.5%、11%、11.5%、12%、12.5%、13%、13.5%、14%、14.5%、15%、15.5%或者16%等等；

Co的质量百分数，典型但非限制性的，例如，可以为8%、8.5%、9%、9.5%、10%、10.5%、11%、11.5%、12%、12.5%、13%、13.5%、14%、14.5%或者15%等等；

Al的质量百分数，典型但非限制性的，例如，可以为4.3%、4.4%、4.5%、4.6%、4.7%、4.8%、4.9%、5.0%、5.1%、5.2%、5.3%、5.4%或者5.5%等等；

Ti的质量百分数，典型但非限制性的，例如，可以为0.3%、0.35%、0.4%、0.45%或者0.5%等等；

Mo的质量百分数，典型但非限制性的，例如，可以为0.65%、0.7%、0.75%、0.8%、0.85%或者0.9%等等；

W的质量百分数，典型但非限制性的，例如，可以为9.8%、10%、10.5%、11%、11.5%、12%、12.5%、13%、13.5%、14%、14.5%或者15%等等；

Ta的质量百分数，典型但非限制性的，例如，可以为2.7%、2.8%、2.9%、3.0%、3.1%、3.2%、3.3%或者3.4%等等；

Zr的质量百分数，典型但非限制性的，例如，可以为0.006%、0.008%、0.01%、0.012%、0.014%或者0.016%等等；

B的质量百分数，典型但非限制性的，例如，可以为0.015%、0.02%、0.025%、0.03%、0.035%、0.04%、0.045%、0.05%、0.055%、0.06%、0.065%、0.07%、0.075%或者0.08%等等；

C的质量百分数，典型但非限制性的，例如，可以为0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%、0.35%、0.4%、0.45%、0.5%、0.55%、0.6%、0.65%、0.7%、0.75%或者0.8%等等。

在本发明的一些实施方式中，镍基高温合金，Ti的质量与Al的质量比为0.07~0.08：1；优选地，镍基高温合金，Ti的质量与Al的质量的比为0.074~0.076：1。

在本发明的一些实施方式中，镍基高温合金，Cr的质量百分数为14%~16%。

在本发明的一些实施方式中，镍基高温合金，Co的质量百分数为11%~14%。

在本发明的一些实施方式中，镍基高温合金，W的质量百分数为12%~15%。

在本发明的一些具体的实施方式中，镍基高温合金的制备方法包括：按比例配料后，采用真空感应熔炼法制备镍基高温合金。

在本发明的一些实施方式中还提供了一种镍基高温合金粉末，由上述镍基高温合金制得。

本发明的镍基高温合金粉末，镍基高温合金粉末在增材制造后无微裂纹产生、力学性能优异。

在本发明的一些实施方式中，镍基高温合金粉末的粒径为15~53μm。

在本发明的一些具体的实施方式中，镍基高温合金粉末的制备方法包括：镍基高温合金经真空雾化法或等离子旋转电极制粉法制得。

在本发明的一些实施方式中还提供了一种镍基高温合金构件，由上述镍基高温合金粉末经激光选区熔融3D打印制得。

在本发明的一些具体的实施方式中，激光选区熔融3D打印的工艺参数包括：

激光功率为200~400W；

激光扫描速度为700~1100mm/s；

光斑直径为40~110μm；

激光扫描间距为80~120μm；

铺粉厚度为20~60μm。

在本发明的一些实施方式中，镍基高温合金构件的致密度≥99%。致密度的测试标准为GB/T3850-2015。

在本发明的一些实施方式中，镍基高温合金构件的组织结构包括柱状晶和胞状晶；优选地，在柱状晶和胞状晶的边界处存在白色的碳化物颗粒。

在本发明的一些实施方式中，镍基高温合金构件的室温屈服强度＞1000MPa，镍基高温合金构件的室温抗拉强度＞1200MPa。屈服强度的测试标准为GB/T 228.1-2010；抗拉强度的测试标准为GB/T 228.1-2010。

实施例1

本实施例提供的镍基高温合金构件的制备方法，包括如下步骤：

（A）按比例配料后，通过真空感应熔炼得到镍基高温合金；

（B）步骤（A）中的镍基高温合金经过真空雾化法方法得到粒径为15~53μm的镍基高温合金粉末；

（C）步骤（B）中的镍基高温合金粉末经过激光选区熔化得镍基高温合金构件；激光选区熔化的工艺参数为：激光功率为280W，激光扫描速度为900mm/s，光斑直径为80μm；激光扫描间距为110μm；铺粉厚度为30μm。

其中，步骤（A）中，镍基高温合金，由按质量百分数计的如下组分组成：

Cr 14%、Co 10.3%、Al 5.5%、Ti 0.4%、Mo 0.7%、W 13%、Ta 3.3%、Zr 0.008%、B0.015%、C 0.7%，余量为Ni和不可避免的杂质。

实施例2

本实施例提供的镍基高温合金构件的制备方法与实施例1相同，不同之处仅在于，步骤（A）中，镍基高温合金，由按质量百分数计的如下组分组成：

Cr 14%、Co 10.3%、Al 4.6%、Ti 0.4%、Mo 0.7%、W 13%、Ta 3.3%、Zr 0.008%、B0.015%、C 0.7%，余量为Ni和不可避免的杂质。

实施例3

Cr 16%、Co 9%、Al 4.3%、Ti 0.3%、Mo 0.7%、W 9.8%、Ta 2.8%、Zr 0.0128%、B0.05%、C 0.1%，余量为Ni和不可避免的杂质。

实施例4

Cr 9%、Co 15%、Al 5%、Ti 0.4%、Mo 0.9%、W 15%、Ta 3.3%、Zr 0.016%、B 0.08%、C0.8%，余量为Ni和不可避免的杂质。

对比例1

本实施例提供的CM247LC合金构件的制备方法与实施例1相同，不同之处仅在于，步骤（A）中，镍基高温合金替换为CM247LC合金，CM247LC合金由按质量百分数计的如下组分组成：

Cr 8.3%、Co 9.6%、Al 5.6%、Ti 0.6%、W 9.7%、Ta 3.2%、Mo 0.5%、C 0.06%、Zr0.01%、Hf 1.3%、B 0.01%，余量为Ni和不可避免的杂质。

试验例1

对其实施例1和实施例2的镍基高温合金构件进行光学显微镜组织观察。其中实施例1的镍基高温合金构件的金相图，如图1所示。

从图1可以看出，镍基高温合金构件的上下熔池之间冶金结合良好，没有出现微裂纹、匙孔等缺陷。实施例2的镍基高温合金构件的光学显微镜组织图与图1相似，相邻沉积层之间搭接良好，未出现微裂纹、孔洞等缺陷。

对其实施例1和实施例2的镍基高温合金构件进行微观组织观察。其中实施例1的镍基高温合金构件的微观组织，如图2所示；图2中（a）为柱状晶的微观组织图，图2中（b）为胞状晶的微观组织图。

从图2可以看出，实施例1的镍基高温合金构件的微观组织以柱状晶和胞状晶为主，并且在柱状晶和胞状晶的边界处存在白色的碳化物颗粒。实施例2的镍基高温合金构件的微观组织与实施例1类似。

试验例2

对实施例1和实施例2的镍基高温合金构件进行致密性测试，其结构如表1所示，致密性测试的标准为GB/T3850-2015。

表1

	实施例 1	实施例 2
			致密度	99.8%	99.8%

对实施例1的镍基高温合金构件、实施例2的镍基高温合金构件和对比例1的CM247LC合金构件的进行力学性能测试，其结果如表2所示，屈服强度的测试标准为GB/T228.1-2010，抗拉强度的测试标准为GB/T 228.1-2010。

表2

	室温屈服强度（ MPa ）	室温抗拉强度（ MPa ）
			实施例 1	1 025	1 220
实施例 2	1 060	1 300
			对比例 1	8 32	9 80

从表1和表2可知，采用本发明的镍基高温合金粉末在增材制造后，没有出现微裂纹、匙孔等缺陷；致密度可达99.8%，并具有优异的力学性能。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种镍基高温合金，其特征在于，由按质量百分数计的如下组分组成：

Cr 9%~16%、Co 8%~15%、Al 4.3%~5.5%、Ti 0.3%~0.5%、Mo 0.65%~0.9%、W 9.8%~15%、Ta2.7%~3.4%、Zr 0.006%~0.016%、B 0.015%~0.08%、C 0.05%~0.8%，余量为Ni和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的镍基高温合金，其特征在于，所述镍基高温合金中，Ti的质量与Al的质量比为0.07~0.08：1。

3.根据权利要求1所述的镍基高温合金，其特征在于，所述镍基高温合金中，Cr的质量百分数为14%~16%。

4.根据权利要求1所述的镍基高温合金，其特征在于，所述镍基高温合金中，Co的质量百分数为11%~14%。

5.根据权利要求1所述的镍基高温合金，其特征在于，所述镍基高温合金中，W的质量百分数为12%~15%。

6.一种镍基高温合金粉末，其特征在于，由权利要求1~5任一项所述的镍基高温合金制得。

7.一种镍基高温合金构件，其特征在于，由权利要求6所述的镍基高温合金粉末经激光选区熔融3D打印制得。

8.根据权利要求7所述的镍基高温合金构件，其特征在于，所述镍基高温合金构件的致密度≥99%。

9.根据权利要求7所述的镍基高温合金构件，其特征在于，所述镍基高温合金构件的微观组织结构包括柱状晶和胞状晶。

10.根据权利要求7所述的镍基高温合金构件，其特征在于，所述镍基高温合金构件的室温屈服强度＞1000MPa，所述镍基高温合金构件的室温抗拉强度＞1200MPa。