CN115058624A - 一种适用于增材制造的镍基高温合金 - Google Patents

一种适用于增材制造的镍基高温合金 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于增材制造的镍基高温合金，其化学成分按质量百分比计为：Cr：15.00~21.00%，Fe：17.00~23.00%，Co：18.00~24.00%，Mo：3.00~5.50%，Al：1~4.00%，Ti：0.50~1.00%，Nb：0.05~0.10%，Ta：0.50~1.00%，W：2.00~5.00%，Re：0.01~0.05%，C：0.02~0.05%，B：0.001~0.08%，O≤10ppm，N≤10ppm，S≤10ppm，P≤10ppm，O+N+S≤25ppm，余量为Ni。该合金体系用于增材制造时打印工艺性好，所制备结构复杂件没有裂纹、气孔等缺陷。

Description

一种适用于增材制造的镍基高温合金
技术领域
本发明属于金属合金材料领域，特别涉及一种适用于增材制造的镍基高温合金。
背景技术
镍基高温合金是高温零部件中应用最广泛的合金材料。因其热膨胀系数低、热导率高、高温强度高等优点，被广泛应用于化工、航空、核工业等领域。
对于复杂的镍基高温合金部件，特别是含有复杂多结构内腔的零部件，采用传统的制造方法如：铸造、锻造、机加工等方法难以制造，并且从产品设计、毛坯成形到最后的产品，存在制造周期长，材料利用率低，成本高等问题。增材制造技术的发展和应用有效地解决了以上问题，使设计者可以根据实际情况设计相应的复杂结构件，极大地提升了设计自由度，缩短了制造周期，同时也能够实现损伤零部件的快速修复，节省了大量时间和制造成本。
现有镍基合金体系用于增材制造时应力较大，易产生裂纹、气孔等缺陷，成形性及工艺性差，难以满足使用要求，限制了镍基合金在增材制造方面的应用。因此，需要开发适用于增材制造的新型镍基高温合金材料。
发明内容
为了解决适用于增材制造的镍基高温合金种类少、成形性及工艺性差的问题，本发明旨在提供一种适用于增材制造的镍基高温合金及其制备方法，增材制造的样品没有裂纹、气孔等缺陷，打印工艺性好，具有高强度、高塑性和优异的高温性能。
实现本发明目的的技术解决方案是：
一种适用于增材制造的镍基高温合金，其化学成分按质量百分比计为：Cr：15.00～21.00％，Fe：17.00～23.00％，Co：18.00～24.00％，Mo：3.00～5.50％，Al：1～4.00％，Ti：0.50～1.00％，Nb：0.05～0.10％，Ta：0.50～1.00％，W：2.00～5.00％，Re：0.01～0.05％，C：0.02～0.05％，B：0.001～0.08％，O≤10ppm，N≤10ppm，S≤10ppm，P≤10ppm，O+N+S≤25ppm，余量为Ni。
上述适用于增材制造的镍基高温合金的制备方法，具体包括如下步骤：
将直径为0.8～1.2mm的镍合金丝材使用冷金属过渡焊接技术(CMT)制备镍合金块体，设置送丝速度为4.5～5.5m/min，熔覆速度为45～50cm/min，焊接电流为100～120A，在基板上堆焊出一个块状试样，且每一层焊道与上一层焊道垂直。
较佳的，将直径为0.8～1.2mm的镍合金丝材使用冷金属过渡焊接技术制备镍合金构件毛坯，设置送丝速度为4.5m/min，熔覆速度为45cm/min，焊接电流为100A，在基板上堆焊出一个块状试样，且每一层焊道与上一层焊道垂直。
本发明还提供了另一种适用于增材制造的镍基高温合金的制备方法，具体包括如下步骤：
将直径为15～53μm的镍合金粉末用激光选区熔化技术(SLM)制备镍合金块体，设置激光功率为100～110W，选择光斑直径为180μm的岛扫描，扫描速度为350～400mm/s，扫描间距为120～130μm，在基板上增材出一个块体试样。
较佳的，将直径为15～53μm的镍合金粉末用激光选区熔化制备镍合金构件，设置激光功率为100W，选择光斑直径为180μm的岛扫描，扫描速度为370mm/s，扫描间距为120μm，在基板上增材出一个毛坯试样。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明设计了一种适用于增材制造的镍基高温合金，该合金体系打印工艺性好，所制备样品没有裂纹、气孔等缺陷。制成丝材或粉末后通过增材制造得到的块状增材体平行于基板方向，室温抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为813～948MPa、602～702MPa、25～38％，950℃抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为375～554MPa、174～267MPa、38～57％，增材体在950℃/100h测试条件下最大变形量不超过1％的蠕变极限为44～75MPa，950℃/70MPa测试条件下持久时间为231～367h。增材体垂直于基板方向，室温抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为813～948MPa、602～702MPa、25～38％，950℃抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为341～497MPa、161～295MPa、45～64％，增材体在950℃/100h测试条件下最大变形量不超过1％的蠕变极限为41～73MPa，950℃/70MPa测试条件下持久时间为212～304h。总之，镍基合金增材制造出的样品打印工艺性、成形性较好，增材体具有高强度、高塑性和优异的高温性能。
具体实施方式
本发明提供了一种适用于增材制造的镍基高温合金，该体系镍基合金含有Cr、Fe、Co、Mo、Al、Ti、Nb、Ta、W、Re、C、B等合金元素。制备所得的增材打印工艺性、成形性好，体性能优异，具有高强度、高塑性和优异的高温性能。
本发明所述的适用于增材制造的镍基高温合金，其化学成分按质量百分比计为：Cr：15.00～21.00％，Fe：17.00～23.00％，Co：18.00～24.00％，Mo：3.00～5.50％，Al：1～4.00％，Ti：0.50～1.00％，Nb：0.05～0.10％，Ta：0.50～1.00％，W：2.00～5.00％，Re：0.01～0.05％，C：0.02～0.05％，B：0.001～0.08％，O≤10ppm，N≤10ppm，S≤10ppm，P≤10ppm，O+N+S≤25ppm，余量为Ni。
其中，Cr元素用于改善合金的高温抗氧化和抗腐蚀性能。Fe元素用于提高对高温渗碳环境的抵抗性、控制热膨胀。Co元素用于提高抗碳化、抗硫化性能。Mo元素、W元素和Nb元素起固溶强化作用。Ti元素和Al元素添加会形成弥散γ’沉淀强化相，提高合金高温强度。B元素的添加可使晶界强化。C元素、Re元素的添加为优化合金性能，提高合金高温强度。Ta元素的添加用于提高γ相的高温稳定性。Ni元素为合金基体，O、C、P、S为杂质元素。经大量研究实验发现，上述合金元素之间相互协同作用，在上述合金元素范围内，所制备的镍基高温合金在增材过程中具有良好的工艺性，且具有优异的力学性能。
上述适用于增材制造的镍基高温合金的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)按照设计的成分配置镍合金所需材料；
(2)将配置的材料放入真空熔炼炉中进行熔炼，浇铸成实心棒材；
(3)将浇铸的棒材进行多次轧制、拉拔，制成直径为0.8～1.2mm的镍合金丝材；
(4)将直径为0.8～1.2mm的镍合金丝材使用冷金属过渡焊接技术(CMT)增材制造的方法制备镍合金块体，设置送丝速度为4.5～5.5m/min，熔覆速度为45～50cm/min，焊接电流为100～120A，在基板上堆焊出一个块状试样，且每一层焊道与上一层焊道垂直。
本发明还提供了另一种适用于增材制造的镍基高温合金的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)按照设计的成分配置镍合金所需材料；
(2)将配置的材料放入真空熔炼炉中进行熔炼，浇铸成实心棒材；
(3)将棒材放入雾化炉中，采用真空惰性气体气雾化技术制成镍合金粉末；
(4)将制备的粉末进行筛分，选取直径为15～53μm的镍合金粉末进行增材制造；
(5)将镍合金粉末用于激光选区熔化技术(SLM)制备镍合金块体，设置激光功率为100～110W，选择光斑直径为180μm的岛扫描，扫描速度为350～400mm/s，扫描间距为120～130μm，在基板上增材得到一个块体试样。
实施例1：
一种适用于增材制造的镍基高温合金，其化学成分按质量百分比计为：Cr：15.74％，Fe：20.12％，Co：21.02％，Al：2.54％，Mo：4.14％，Ti：0.76％，Nb：0.08％，Ta：0.76％，W：3.62％，Re：0.04％，C：0.03％，B：0.047％，O≤10ppm，N≤10ppm，S≤10ppm，P≤10ppm，O+N+S≤25ppm，余量为Ni。
将镍基合金制成直径为0.8mm的丝材，使用CMT进行丝材的增材制造，设置送丝速度为4.5m/s、焊接电流为100A、熔覆速度为45cm/min，在基板上堆焊出一个尺寸为20×20×20cm的块体试样。且每一层焊道与上一层焊道垂直，将制成的样品切割成平行于基板和垂直于基板方向两类样品，便于分析其性能。
制作金相试样观察试样微观组织，平行于基板方向增材体的组织为等轴晶，垂直于基板方向增材体的组织为柱状晶。
按照拉伸试验和蠕变实验国家标准，将块体制成符合国家标准的拉伸试验样品和蠕变实验样品，并进行拉伸试验和蠕变实验。在平行于基板方向增材体的室温抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为828MPa、623MPa、36％，950℃抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为398MPa、179MPa、55％，950℃/100h测试条件下最大变形量不超过1％的蠕变极限为49MPa，950℃/70MPa测试条件下持久时间为276h。在垂直于基板方向增材体的室温抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为751MPa、531MPa、41％，950℃抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为347MPa、166MPa、58％，950℃/100h测试条件下最大变形量不超过1％的蠕变极限为43MPa，950℃/70MPa测试条件下持久时间为268h。
实施例2：
一种适用于增材制造的镍基高温合金，其化学成分按质量百分比计为：Cr：20.67％，Fe：20.06％，Co：21.35％，Al：2.47％，Mo：4.23％，Ti：0.79％，Nb：0.07％，Ta：0.79％，W：3.59％，Re：0.03％，C：0.04％，B：0.049％，O≤10ppm，N≤10ppm，S≤10ppm，P≤10ppm，O+N+S≤25ppm，余量为Ni。
将镍基合金制成直径为0.8mm的丝材，使用CMT进行丝材的增材制造，设置送丝速度为4.5m/s、焊接电流为100A、熔覆速度为45cm/min，在基板上堆焊出一个尺寸为20×20×20cm的块体试样。且每一层焊道与上一层焊道垂直，将制成的样品切割成平行于基板和垂直于基板方向两类样品，便于分析其性能。
制作金相试样观察试样微观组织，平行于基板方向增材体的组织为等轴晶，垂直于基板方向增材体的组织为柱状晶。
按照拉伸试验和蠕变实验国家标准，将块体制成符合国家标准的拉伸试验样品和蠕变实验样品，并进行拉伸试验和蠕变实验。在平行于基板方向增材体的室温抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为851MPa、643MPa、34％，950℃抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为412MPa、198MPa、51％，950℃/100h测试条件下最大变形量不超过1％的蠕变极限为54MPa，950℃/70MPa测试条件下持久时间为285h。在垂直于基板方向增材体的室温抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为794MPa、554MPa、39％，950℃抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为365MPa、178MPa、53％，950℃/100h测试条件下最大变形量不超过1％的蠕变极限为48MPa，950℃/70MPa测试条件下持久时间为276h。
实施例3：
一种适用于增材制造的镍基高温合金，其化学成分按质量百分比计为：Cr：18.50％，Fe：17.23％，Co：21.43％，Al：2.63％，Mo：4.24％，Ti：0.78％，Nb：0.06％，Ta：0.75％，W：3.51％，Re：0.02％，C：0.03％，B：0.045％，O≤10ppm，N≤10ppm，S≤10ppm，P≤10ppm，O+N+S≤25ppm，余量为Ni。
将镍基合金制成直径为1.0mm的丝材，使用CMT进行丝材的增材制造，设置送丝速度为5.0m/s、焊接电流为105A、熔覆速度为50cm/min，在基板上堆焊出一个尺寸为20×20×20cm的块体试样。且每一层焊道与上一层焊道垂直，将制成的样品切割成平行于基板和垂直于基板方向两类样品，便于分析其性能。
制作金相试样观察试样微观组织，平行于基板方向增材体的组织为等轴晶，垂直于基板方向增材体的组织为柱状晶。
按照拉伸试验和蠕变实验国家标准，将块体制成符合国家标准的拉伸试验样品和蠕变实验样品，并进行拉伸试验和蠕变实验。在平行于基板方向增材体的室温抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为834MPa、641MPa、33％，950℃抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为405MPa、196MPa、48％，950℃/100h测试条件下最大变形量不超过1％的蠕变极限为46MPa，950℃/70MPa测试条件下持久时间为264h。在垂直于基板方向增材体的室温抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为779MPa、575MPa、38％，950℃抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为359MPa、169MPa、49％，950℃/100h测试条件下最大变形量不超过1％的蠕变极限为43MPa，950℃/70MPa测试条件下持久时间为241h。
实施例4：
一种适用于增材制造的镍基高温合金，其化学成分按质量百分比计为：Cr：18.42％，Fe：22.79％，Co：21.12％，Al：2.49％，Mo：4.36％，Ti：0.74％，Nb：0.07％，Ta：0.77％，W：3.53％，Re：0.04％，C：0.02％，B：0.051％，O≤10ppm，N≤10ppm，S≤10ppm，P≤10ppm，O+N+S≤25ppm，余量为Ni。
将镍基合金制成直径为1.0mm的丝材，使用CMT进行丝材的增材制造，设置送丝速度为5.0m/s、焊接电流为105A、熔覆速度为50cm/min，在基板上堆焊出一个尺寸为20×20×20cm的块体试样。且每一层焊道与上一层焊道垂直，将制成的样品切割成平行于基板和垂直于基板方向两类样品，便于分析其性能。
制作金相试样观察试样微观组织，平行于基板方向增材体的组织为等轴晶，垂直于基板方向增材体的组织为柱状晶。
按照拉伸试验和蠕变实验国家标准，将块体制成符合国家标准的拉伸试验样品和蠕变实验样品，并进行拉伸试验和蠕变实验。在平行于基板方向增材体的室温抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为837MPa、652MPa、30％，950℃抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为449MPa、218MPa、45％，950℃/100h测试条件下最大变形量不超过1％的蠕变极限为44MPa，950℃/70MPa测试条件下持久时间为249h。在垂直于基板方向增材体的室温抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为761MPa、598MPa、34％，950℃抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为416MPa、211MPa、47％，950℃/100h测试条件下最大变形量不超过1％的蠕变极限为41MPa，950℃/70MPa测试条件下持久时间为227h。
实施例5：
一种适用于增材制造的镍基高温合金，其化学成分按质量百分比计为：Cr：18.21％，Fe：20.05％，Co：21.04％，Al：2.57％，Mo：4.27％，Ti：0.75％，Nb：0.07％，Ta：0.75％，W：2.03％，Re：0.03％，C：0.04％，B：0.047％，O≤10ppm，N≤10ppm，S≤10ppm，P≤10ppm，O+N+S≤25ppm，余量为Ni。
将镍基合金制成直径为1.2mm的丝材，使用CMT进行丝材的增材制造，设置送丝速度为5.5m/s、焊接电流为120A、熔覆速度为50cm/min，在基板上堆焊出一个尺寸为20×20×20cm的块体试样。且每一层焊道与上一层焊道垂直，将制成的样品切割成平行于基板和垂直于基板方向两类样品，便于分析其性能。
制作金相试样观察试样微观组织，平行于基板方向增材体的组织为等轴晶，垂直于基板方向增材体的组织为柱状晶。
按照拉伸试验和蠕变实验国家标准，将块体制成符合国家标准的拉伸试验样品和蠕变实验样品，并进行拉伸试验和蠕变实验。在平行于基板方向增材体的室温抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为843MPa、655MPa、25％，950℃抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为467MPa、222MPa、38％，950℃/100h测试条件下最大变形量不超过1％的蠕变极限为54MPa，950℃/70MPa测试条件下持久时间为298h。在垂直于基板方向增材体的室温抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为789MPa、572MPa、29％，950℃抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为411MPa、196MPa、46％，950℃/100h测试条件下最大变形量不超过1％的蠕变极限为51MPa，950℃/70MPa测试条件下持久时间为267h。
实施例6：
一种适用于增材制造的镍基高温合金，其化学成分按质量百分比计为：Cr：18.37％，Fe：20.17％，Co：21.15％，Al：2.49％，Mo：4.31％，Ti：0.77％，Nb：0.06％，Ta：0.73％，W：4.97％，Re：0.03％，C：0.03％，B：0.053％，O≤10ppm，N≤10ppm，S≤10ppm，P≤10ppm，O+N+S≤25ppm，余量为Ni。
将镍基合金制成直径为1.2mm的丝材，使用CMT进行丝材的增材制造，设置送丝速度为5.5m/s、焊接电流为120A、熔覆速度为50cm/min，在基板上堆焊出一个尺寸为20×20×20cm的块体试样。且每一层焊道与上一层焊道垂直，将制成的样品切割成平行于基板和垂直于基板方向两类样品，便于分析其性能。
制作金相试样观察试样微观组织，平行于基板方向增材体的组织为等轴晶，垂直于基板方向增材体的组织为柱状晶。
按照拉伸试验和蠕变实验国家标准，将块体制成符合国家标准的拉伸试验样品和蠕变实验样品，并进行拉伸试验和蠕变实验。在平行于基板方向增材体的室温抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为836MPa、641MPa、25％，950℃抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为489MPa、233MPa、39％，950℃/100h测试条件下最大变形量不超过1％的蠕变极限为55MPa，950℃/70MPa测试条件下持久时间为313h。在垂直于基板方向增材体的室温抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为756MPa、551MPa、30％，950℃抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为429MPa、217MPa、45％，950℃/100h测试条件下最大变形量不超过1％的蠕变极限为50MPa，950℃/70MPa测试条件下持久时间为297h。
实施例7：
一种适用于增材制造的镍基高温合金，其化学成分按质量百分比计为：Cr：18.12％，Fe：20.12％，Co：21.34％，Al：2.47％，Mo：4.29％，Ti：0.76％，Nb：0.08％，Ta：0.74％，W：3.54％，Re：0.04％，C：0.03％，B：0.001％，O≤10ppm，N≤10ppm，S≤10ppm，P≤10ppm，O+N+S≤25ppm，余量为Ni。
将镍基合金制成直径为1.0mm的丝材，使用CMT进行丝材的增材制造，设置送丝速度为5.0m/s、焊接电流为105A、熔覆速度为50cm/min，在基板上堆焊出一个尺寸为20×20×20cm的块体试样。且每一层焊道与上一层焊道垂直，将制成的样品切割成平行于基板和垂直于基板方向两类样品，便于分析其性能。
制作金相试样观察试样微观组织，平行于基板方向增材体的组织为等轴晶，垂直于基板方向增材体的组织为柱状晶。
按照拉伸试验和蠕变实验国家标准，将块体制成符合国家标准的拉伸试验样品和蠕变实验样品，并进行拉伸试验和蠕变实验。在平行于基板方向增材体的室温抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为848MPa、656MPa、28％，950℃抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为375MPa、174MPa、55％，950℃/100h测试条件下最大变形量不超过1％的蠕变极限为47MPa，950℃/70MPa测试条件下持久时间为246h。在垂直于基板方向增材体的室温抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为769MPa、579MPa、32％，950℃抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为325MPa、161MPa、65％，950℃/100h测试条件下最大变形量不超过1％的蠕变极限为43MPa，950℃/70MPa测试条件下持久时间为221h。
实施例8：
一种适用于增材制造的镍基高温合金，其化学成分按质量百分比计为：Cr：18.03％，Fe：20.23％，Co：21.46％，Al：2.52％，Mo：4.24％，Ti：0.79％，Nb：0.07％，Ta：0.79％，W：3.59％，Re：0.03％，C：0.04％，B：0.079％，O≤10ppm，N≤10ppm，S≤10ppm，P≤10ppm，O+N+S≤25ppm，余量为Ni。
将镍基合金制成直径为1.0mm的丝材，使用CMT进行丝材的增材制造，设置送丝速度为5.0m/s、焊接电流为105A、熔覆速度为50cm/min，在基板上堆焊出一个尺寸为20×20×20cm的块体试样。且每一层焊道与上一层焊道垂直，将制成的样品切割成平行于基板和垂直于基板方向两类样品，便于分析其性能。
制作金相试样观察试样微观组织，平行于基板方向增材体的组织为等轴晶，垂直于基板方向增材体的组织为柱状晶。
按照拉伸试验和蠕变实验国家标准，将块体制成符合国家标准的拉伸试验样品和蠕变实验样品，并进行拉伸试验和蠕变实验。在平行于基板方向增材体的室温抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为871MPa、624MPa、25％，950℃抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为389MPa、182MPa、57％，950℃/100h测试条件下最大变形量不超过1％的蠕变极限为49MPa，950℃/70MPa测试条件下持久时间为231h。在垂直于基板方向增材体的室温抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为798MPa、547MPa、27％，950℃抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为341MPa、171MPa、63％，950℃/100h测试条件下最大变形量不超过1％的蠕变极限为47MPa，950℃/70MPa测试条件下持久时间为217h。
实施例9：
一种适用于增材制造的镍基高温合金，其化学成分按质量百分比计为：Cr：18.31％，Fe：20.07％，Co：18.18％，Al：2.61％，Mo：4.17％，Ti：0.75％，Nb：0.06％，Ta：0.76％，W：3.45％，Re：0.03％，C：0.02％，B：0.048％，O≤10ppm，N≤10ppm，S≤10ppm，P≤10ppm，O+N+S≤25ppm，余量为Ni。
将镍合金制成15～53μm的镍合金粉末，使用激光选区熔化技术制备镍合金块体，设置激光功率为100W，选择光斑直径为180μm的岛扫描，扫描速度为350mm/s，扫描间距为120μm，在基板上增材出一个尺寸为20×20×20cm的块体试样。将制成的样品切割成平行于基板和垂直于基板方向两类样品，便于分析其性能。
制作金相试样观察试样微观组织，平行于基板方向增材体的组织为等轴晶，垂直于基板方向增材体的组织为柱状晶。
按照拉伸试验和蠕变实验国家标准，将块体制成符合国家标准的拉伸试验样品和蠕变实验样品，并进行拉伸试验和蠕变实验。在平行于基板方向增材体的室温抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为879MPa、665MPa、33％，950℃抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为401MPa、213MPa、51％，950℃/100h测试条件下最大变形量不超过1％的蠕变极限为57MPa，950℃/70MPa测试条件下持久时间为287h。在垂直于基板方向增材体的室温抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为809MPa、655MPa、32％，950℃抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为363MPa、192MPa、62％，950℃/100h测试条件下最大变形量不超过1％的蠕变极限为54MPa，950℃/70MPa测试条件下持久时间为264h。
实施例10：
一种适用于增材制造的镍基高温合金，其化学成分按质量百分比计为：Cr：18.46％，Fe：20.43％，Co：23.86％，Al：2.57％，Mo：4.25％，Ti：0.71％，Nb：0.08％，Ta：0.78％，W：3.49％，Re：0.03％，C：0.04％，B：0.043％，O≤10ppm，N≤10ppm，S≤10ppm，P≤10ppm，O+N+S≤25ppm，余量为Ni。
将镍合金制成15～53μm的镍合金粉末，使用激光选区熔化技术制备镍合金块体，设置激光功率为100W，选择光斑直径为180μm的岛扫描，扫描速度为350mm/s，扫描间距为120μm，在基板上增材出一个尺寸为20×20×20cm的块体试样。将制成的样品切割成平行于基板和垂直于基板方向两类样品，便于分析其性能。
制作金相试样观察试样微观组织，平行于基板方向增材体的组织为等轴晶，垂直于基板方向增材体的组织为柱状晶。
按照拉伸试验和蠕变实验国家标准，将块体制成符合国家标准的拉伸试验样品和蠕变实验样品，并进行拉伸试验和蠕变实验。在平行于基板方向增材体的室温抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为881MPa、678MPa、35％，950℃抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为434MPa、245MPa、54％，950℃/100h测试条件下最大变形量不超过1％的蠕变极限为62MPa，950℃/70MPa测试条件下持久时间为297h。在垂直于基板方向增材体的室温抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为824MPa、572MPa、39％，950℃抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为376MPa、217MPa、63％，950℃/100h测试条件下最大变形量不超过1％的蠕变极限为60MPa，950℃/70MPa测试条件下持久时间为271h。
实施例11：
一种适用于增材制造的镍基高温合金，其化学成分按质量百分比计为：Cr：18.53％，Fe：20.64％，Co：21.08％，Al：1.05％，Mo：4.27％，Ti：0.76％，Nb：0.08％，Ta：0.73％，W：3.45％，Re：0.02％，C：0.03％，B：0.052％，O≤10ppm，N≤10ppm，S≤10ppm，P≤10ppm，O+N+S≤25ppm，余量为Ni。
将镍合金制成15～53μm的镍合金粉末，使用激光选区熔化技术制备镍合金块体，设置激光功率为110W，选择光斑直径为180μm的岛扫描，扫描速度为400mm/s，扫描间距为130μm，在基板上增材出一个尺寸为20×20×20cm的块体试样。将制成的样品切割成平行于基板和垂直于基板方向两类样品，便于分析其性能。
制作金相试样观察试样微观组织，平行于基板方向增材体的组织为等轴晶，垂直于基板方向增材体的组织为柱状晶。
按照拉伸试验和蠕变实验国家标准，将块体制成符合国家标准的拉伸试验样品和蠕变实验样品，并进行拉伸试验和蠕变实验。在平行于基板方向增材体的室温抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为834MPa、645MPa、37％，950℃抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为475MPa、254MPa、46％，950℃/100h测试条件下最大变形量不超过1％的蠕变极限为58MPa，950℃/70MPa测试条件下持久时间为237h。在垂直于基板方向增材体的室温抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为789MPa、578MPa、41％，950℃抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为429MPa、216MPa、54％，950℃/100h测试条件下最大变形量不超过1％的蠕变极限为55MPa，950℃/70MPa测试条件下持久时间为212h。
实施例12：
一种适用于增材制造的镍基高温合金，其化学成分按质量百分比计为：Cr：18.41％，Fe：20.49％，Co：21.17％，Al：3.98％，Mo：4.31％，Ti：0.72％，Nb：0.07％，Ta：0.75％，W：3.50％，Re：0.03％，C：0.04％，B：0.046％，O≤10ppm，N≤10ppm，S≤10ppm，P≤10ppm，O+N+S≤25ppm，余量为Ni。
将镍合金制成15～53μm的镍合金粉末，使用激光选区熔化技术制备镍合金块体，设置激光功率为110W，选择光斑直径为180μm的岛扫描，扫描速度为400mm/s，扫描间距为130μm，在基板上增材出一个尺寸为20×20×20cm的块体试样。将制成的样品切割成平行于基板和垂直于基板方向两类样品，便于分析其性能。
制作金相试样观察试样微观组织，平行于基板方向增材体的组织为等轴晶，垂直于基板方向增材体的组织为柱状晶。
按照拉伸试验和蠕变实验国家标准，将块体制成符合国家标准的拉伸试验样品和蠕变实验样品，并进行拉伸试验和蠕变实验。在平行于基板方向增材体的室温抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为825MPa、638MPa、35％，950℃抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为489MPa、265MPa、45％，950℃/100h测试条件下最大变形量不超过1％的蠕变极限为60MPa，950℃/70MPa测试条件下持久时间为256h。在垂直于基板方向增材体的室温抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为758MPa、547MPa、40％，950℃抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为437MPa、227MPa、57％，950℃/100h测试条件下最大变形量不超过1％的蠕变极限为57MPa，950℃/70MPa测试条件下持久时间为225h。
实施例13：
一种适用于增材制造的镍基高温合金，其化学成分按质量百分比计为：Cr：18.24％，Fe：20.23％，Co：21.12％，Al：2.64％，Mo：3.07％，Ti：0.75％，Nb：0.07％，Ta：0.74％，W：3.51％，Re：0.04％，C：0.04％，B：0.050％，O≤10ppm，N≤10ppm，S≤10ppm，P≤10ppm，O+N+S≤25ppm，余量为Ni。
将镍合金制成15～53μm的镍合金粉末，使用激光选区熔化技术制备镍合金块体，设置激光功率为105W，选择光斑直径为180μm的岛扫描，扫描速度为380mm/s，扫描间距为125μm，在基板上增材出一个尺寸为20×20×20cm的块体试样。将制成的样品切割成平行于基板和垂直于基板方向两类样品，便于分析其性能。
制作金相试样观察试样微观组织，平行于基板方向增材体的组织为等轴晶，垂直于基板方向增材体的组织为柱状晶。
按照拉伸试验和蠕变实验国家标准，将块体制成符合国家标准的拉伸试验样品和蠕变实验样品，并进行拉伸试验和蠕变实验。在平行于基板方向增材体的室温抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为895MPa、685MPa、38％，950℃抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为514MPa、298MPa、55％，950℃/100h测试条件下最大变形量不超过1％的蠕变极限为68MPa，950℃/70MPa测试条件下持久时间为325h。在垂直于基板方向增材体的室温抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为819MPa、607MPa、42％，950℃抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为468MPa、264MPa、64％，950℃/100h测试条件下最大变形量不超过1％的蠕变极限为66MPa，950℃/70MPa测试条件下持久时间为289h。
实施例14：
一种适用于增材制造的镍基高温合金，其化学成分按质量百分比计为：Cr：18.19％，Fe：20.45％，Co：21.34％，Al：2.59％，Mo：5.46％，Ti：0.77％，Nb：0.06％，Ta：0.75％，W：3.55％，Re：0.03％，C：0.03％，B：0.045％，O≤10ppm，N≤10ppm，S≤10ppm，P≤10ppm，O+N+S≤25ppm，余量为Ni。
将镍合金制成15～53μm的镍合金粉末，使用激光选区熔化技术制备镍合金块体，设置激光功率为105W，选择光斑直径为180μm的岛扫描，扫描速度为380mm/s，扫描间距为125μm，在基板上增材出一个尺寸为20×20×20cm的块体试样。将制成的样品切割成平行于基板和垂直于基板方向两类样品，便于分析其性能。
制作金相试样观察试样微观组织，平行于基板方向增材体的组织为等轴晶，垂直于基板方向增材体的组织为柱状晶。
按照拉伸试验和蠕变实验国家标准，将块体制成符合国家标准的拉伸试验样品和蠕变实验样品，并进行拉伸试验和蠕变实验。在平行于基板方向增材体的室温抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为948MPa、702MPa、36％，950℃抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为554MPa、318MPa、56％，950℃/100h测试条件下最大变形量不超过1％的蠕变极限为75MPa，950℃/70MPa测试条件下持久时间为367h。在垂直于基板方向增材体的室温抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为896MPa、632MPa、39％，950℃抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为497MPa、295MPa、63％，950℃/100h测试条件下最大变形量不超过1％的蠕变极限为73MPa，950℃/70MPa测试条件下持久时间为304h。
实施例15：
一种适用于增材制造的镍基高温合金，其化学成分按质量百分比计为：Cr：18.23％，Fe：20.17％，Co：21.17％，Al：2.65％，Mo：4.21％，Ti：0.78％，Nb：0.08％，Ta：0.51％，W：3.53％，Re：0.03％，C：0.03％，B：0.043％，O≤10ppm，N≤10ppm，S≤10ppm，P≤10ppm，O+N+S≤25ppm，余量为Ni。
将镍合金制成15～53μm的镍合金粉末，使用激光选区熔化技术制备镍合金块体，设置激光功率为100W，选择光斑直径为180μm的岛扫描，扫描速度为370mm/s，扫描间距为120μm，在基板上增材出一个尺寸为20×20×20cm的块体试样。将制成的样品切割成平行于基板和垂直于基板方向两类样品，便于分析其性能。
制作金相试样观察试样微观组织，平行于基板方向增材体的组织为等轴晶，垂直于基板方向增材体的组织为柱状晶。
按照拉伸试验和蠕变实验国家标准，将块体制成符合国家标准的拉伸试验样品和蠕变实验样品，并进行拉伸试验和蠕变实验。在平行于基板方向增材体的室温抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为813MPa、624MPa、37％，950℃抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为476MPa、283MPa、53％，950℃/100h测试条件下最大变形量不超过1％的蠕变极限为49MPa，950℃/70MPa测试条件下持久时间为297h。在垂直于基板方向增材体的室温抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为759MPa、577MPa、42％，950℃抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为423MPa、216MPa、61％，950℃/100h测试条件下最大变形量不超过1％的蠕变极限为46MPa，950℃/70MPa测试条件下持久时间为264h。
实施例16：
一种适用于增材制造的镍基高温合金，其化学成分按质量百分比计为：Cr：18.46％，Fe：20.04％，Co：21.32％，Al：2.57％，Mo：4.28％，Ti：0.72％，Nb：0.06％，Ta：0.96％，W：3.57％，Re：0.04％，C：0.03％，B：0.046％，O≤10ppm，N≤10ppm，S≤10ppm，P≤10ppm，O+N+S≤25ppm，余量为Ni。
将镍合金制成15～53μm的镍合金粉末，使用激光选区熔化技术制备镍合金块体，设置激光功率为100W，选择光斑直径为180μm的岛扫描，扫描速度为370mm/s，扫描间距为120μm，在基板上增材出一个尺寸为20×20×20cm的块体试样。将制成的样品切割成平行于基板和垂直于基板方向两类样品，便于分析其性能。
制作金相试样观察试样微观组织，平行于基板方向增材体的组织为等轴晶，垂直于基板方向增材体的组织为柱状晶。
按照拉伸试验和蠕变实验国家标准，将块体制成符合国家标准的拉伸试验样品和蠕变实验样品，并进行拉伸试验和蠕变实验。在平行于基板方向增材体的室温抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为823MPa、602MPa、36％，950℃抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为485MPa、297MPa、52％，950℃/100h测试条件下最大变形量不超过1％的蠕变极限为55MPa，950℃/70MPa测试条件下持久时间为312h。在垂直于基板方向增材体的室温抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为764MPa、558MPa、42％，950℃抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为428MPa、230MPa、63％，950℃/100h测试条件下最大变形量不超过1％的蠕变极限为51MPa，950℃/70MPa测试条件下持久时间为287h。
实施例17：
一种适用于增材制造的镍基高温合金，其化学成分按质量百分比计为：Cr：18.47％，Fe：20.79％，Co：21.45％，Al：2.61％，Mo：4.28％，Ti：0.78％，Nb：0.08％，Ta：0.74％，W：3.61％，Re：0.03％，C：0.03％，B：0.050％，O≤10ppm，N≤10ppm，S≤10ppm，P≤10ppm，O+N+S≤25ppm，余量为Ni。
将镍基合金制成直径为0.8mm的丝材，使用CMT进行丝材的增材制造，设置送丝速度为4.5m/s、焊接电流为100A、熔覆速度为45cm/min，在基板上堆焊出一个直径为0.5m的涡轮盘毛坯试样，并通过机加工制成涡轮盘成品。
增材的涡轮盘毛坯无变形、开裂。机加工的涡轮盘成品X射线无损检测分析结果表明，增材试样没有出现裂纹气孔等缺陷。
在上述同等制备工艺条件下，使用传统GH4169高温合金丝材增材涡轮盘毛坯试样时，制备的毛坯变形大、出现大量的裂纹等缺陷，无法进行后续机加工，说明其难以适用CMT增材。
实施例18：
一种适用于增材制造的镍基高温合金，其化学成分按质量百分比计为：Cr：18.57％，Fe：21.34％，Co：22.53％，Al：1.57％，Mo：3.14％，Ti：0.76％，Nb：0.06％，Ta：0.76％，W：4.25％，Re：0.04％，C：0.03％，B：0.045％，O≤10ppm，N≤10ppm，S≤10ppm，P≤10ppm，O+N+S≤25ppm，余量为Ni。
将镍合金制成15～53μm的镍合金粉末，使用激光选区熔化技术制备镍合金构件，设置激光功率为100W，选择光斑直径为180μm的岛扫描，扫描速度为370mm/s，扫描间距为120μm，在基板上增材出一个直径为0.5m的涡轮盘试样。
所制试样表面精度高，无变形。X射线无损检测分析结果表明，增材试样没有裂纹、气孔等缺陷。
在上述同等制备工艺条件下，使用传统GH4169高温合金粉末增材涡轮盘毛坯试样时，激光选区熔化制备的涡轮盘成型质量差，出现大量的裂纹等缺陷，难以满足使用要求。
表1至表5分别给出了各实施例的成分和测试结果。
表1具体实施例成分表(wt.％)
Figure BDA0002965267620000141
注：O≤10ppm，N≤10ppm，S≤10ppm，P≤10ppm，O+N+S≤25ppm，余量为Ni。
表2室温拉伸性能参数
Figure BDA0002965267620000142
Figure BDA0002965267620000151
注：横向为平行于基板方向，纵向为垂直于基板方向，σb、σs、δ分别表示抗拉强度、屈服强度、断后伸长率。
表3 950℃拉伸性能参数
Figure BDA0002965267620000152
Figure BDA0002965267620000161
注：横向为平行于基板方向，纵向为垂直于基板方向，σb、σs、δ分别表示抗拉强度、屈服强度、断后伸长率。
表4 950℃/70MPa持久性能参数
Figure BDA0002965267620000162
注：横向为平行于基板方向，纵向为垂直于基板方向，τ表示持久时间。
表5 950℃/100h(εp＝1)蠕变性能参数
Figure BDA0002965267620000163
Figure BDA0002965267620000171
注：横向为平行于基板方向，纵向为垂直于基板方向，σ表示蠕变极限。
本发明并不限于上述实施方案。对本发明的任何改进，对本发明产品各元素的等效替换及辅助成分的添加、制备方法的改变等，均在本发明保护范围和公开范围之内。

Claims (7)

1.一种适用于增材制造的镍基高温合金，其特征在于，其化学成分按质量百分比计为：Cr：15.00~21.00%，Fe：17.00~23.00%，Co：18.00~24.00%，Mo：3.00~5.50%，Al：1~4.00%，Ti：0.50~1.00%，Nb：0.05~0.10%，Ta：0.50~1.00%，W：2.00~5.00%，Re：0.01~0.05%，C：0.02~0.05%，B：0.001~0.08%，O≤10ppm，N≤10ppm，S≤10ppm，P≤10ppm，O+N+S≤25ppm，余量为Ni。
2.一种适用于增材制造的镍基高温合金的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
将如权利要求1所述的镍基高温合金的丝材使用冷金属过渡焊接制备镍合金块体，设置送丝速度为4.5~5.5m/min，熔覆速度为45~50cm/min，焊接电流为100~120A，在基板上堆焊出一个块状试样，且每一层焊道与上一层焊道垂直。
3.一种适用于增材制造的镍基高温合金的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
将如权利要求1所述的镍基高温合金的丝材使用冷金属过渡焊接制备镍合金构件毛坯，设置送丝速度为4.5m/min，熔覆速度为45cm/min，焊接电流为100A，在基板上堆焊出一个毛坯试样，且每一层焊道与上一层焊道垂直。
4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，丝材的直径为0.8~1.2mm。
5.一种适用于增材制造的镍基高温合金的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
将如权利要求1所述的镍基高温合金的粉末用激光选区熔化技术制备镍合金块体，设置激光功率为100~110W，选择光斑直径为180μm的岛扫描，扫描速度为350~400mm/s，扫描间距为120~130μm，在基板上增材出所述镍基高温合金的块体试样。
6.一种适用于增材制造的镍基高温合金的制备方法，其特征在于，将如权利要求1所述的镍基高温合金的粉末用激光选区熔化制备镍合金构件，设置激光功率为100W，选择光斑直径为180μm的岛扫描，扫描速度为370mm/s，扫描间距为120μm，在基板上增材出所述镍基高温合金的毛坯试样。
7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，粉末的直径为15~53μm。
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