CN116083896A - 一种复合镍基高温合金及其制备方法 - Google Patents

一种复合镍基高温合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种复合镍基高温合金及其制备方法，所述复合镍基高温合金的制备方法包括以下步骤：(1)、金属陶瓷制备；(2)、金属陶瓷碳化；(3)、混料；(4)、沉积。该复合镍基高温合金及其制备方法，通过添加金属陶瓷，抑制柱状晶粗化，细化胞状枝晶，并且其中的金属陶瓷相增强复合材料的强度、拉伸性能和耐磨性。

Description

一种复合镍基高温合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及粉末冶金技术领域，特别是涉及一种复合镍基高温合金及其制备方法。
背景技术
GH4169是一种沉淀强化镍基高温合金，具有良好的抗疲劳、抗辐射、抗氧化、耐腐蚀性能，以及良好的加工性能和焊接性能；能够制造各种形状复杂的零部件，应用于宇航、核能、石油工业及挤压模具等领域中。但随着技术的发展，在设备运转的速度越来越快等场合，需要更加优异的强度、拉伸性能和耐磨性等力学性能来满足需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合镍基高温合金及其制备方法，来提升镍基高温合金的强度和耐磨性。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本申请公开了一种复合镍基高温合金，所述复合镍基高温合金由(Ti,La)(C,N)基金属陶瓷复式碳化物和镍基高温合金GH4169沉积熔覆制得，其中，(Ti,La)(C,N)基金属陶瓷复式碳化物的用量为3wt.％～7wt.％；所述(Ti,La)(C,N)基金属陶瓷复式碳化物为硬质相(Ti,La)(C,N)基金属陶瓷的粉末在石墨碳管炉中经过高温碳氮化而得到的硬质相粉末，其中，所述硬质相(Ti,La)(C,N)基金属陶瓷由TiO2、La2O3、TiC和C混合并烧结所得，且其C元素的质量分数为9.5％、N元素的质量分数为10.5％，Ti元素的质量分数为79.85％以及La元素的质量分数为0.15％。
进一步地，在上述的复合镍基高温合金中，所述硬质相(Ti,La)(C,N)基金属陶瓷复式碳化物粉末的粒径为1～1.5μm。
进一步地，在上述的复合镍基高温合金中，所述镍基高温合金GH4169为硬质相粉末，且粒径为12～20μm。
本申请还公开了一种复合镍基高温合金的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：
(1)、金属陶瓷制备
将TiO2、La2O3、TiC和C四种材料混合并进行烧结，得到硬质相(Ti,La)(C,N)基金属陶瓷，并置于滚筒式球磨机中干磨2.5h，然后将球磨后的混合粉料通过300目的筛网筛选；
(2)、金属陶瓷碳化
将筛选后的混合粉料置于高温石墨碳管炉中高温氮碳化，得(Ti,La)(C,N)基金属陶瓷复式碳化物；
(3)、混料
将(Ti,La)(C,N)基金属陶瓷复式碳化物和镍基高温合金GH4169粉末按比例置于刚玉球磨罐内混合球磨，球磨后的粉末干燥放置；
(4)、沉积
将步骤(3)干燥后的粉末多层沉积于低碳钢的表面，并通过光纤激光器进行熔覆。
进一步地，在上述的复合镍基高温合金的制备方法中，所述高温石墨碳管炉中的温度为1800℃，并在氮气的保护气氛中持续氮碳化2h。
进一步地，在上述的复合镍基高温合金的制备方法中，所述刚玉球磨罐内的介质为乙醇，并在150rpm的转速下球磨1h。
进一步地，在上述的复合镍基高温合金的制备方法中，所述光纤激光器的功率为2KW，光斑直径为3mm，激光能量范围为85J/mm2～110J/mm2。
进一步地，在上述的复合镍基高温合金的制备方法中，步骤(4)中粉末沉积单层厚度为100μm，总共沉积55层。
与现有技术相比，该复合镍基高温合金及其制备方法，通过添加金属陶瓷，抑制柱状晶粗化，细化胞状枝晶，并且其中的金属陶瓷相增强复合镍基高温合金的强度、拉伸性能和耐磨性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示为本发明一具体实施例中(Ti,La)(C,N)基金属陶瓷复式碳化物的表面形貌图。
图2所示为本发明一具体实施例中复合镍基高温合金的表面形貌图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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的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。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例一
一种复合镍基高温合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)、金属陶瓷制备
将TiO2、La2O3、TiC和C四种材料进行烧结，得到硬质相(Ti,La)(C,N)基金属陶瓷，并置于滚筒式球磨机中干磨2.5h，然后将球磨后的混合粉料通过300目的筛网筛选，其中，硬质相(Ti,La)(C,N)基金属陶瓷中C元素的质量分数为9.5％、N元素的质量分数为10.5％、Ti元素的质量分数为79.85％以及La元素的质量分数为0.15％；
(2)、金属陶瓷碳化
将筛选后的混合粉料置于ZMT-45-25型高温石墨碳管炉中，并在1800℃高温下和氮气的保护气氛中高温氮碳化2h，得粒径为1.2μm的(Ti,La)(C,N)基金属陶瓷复式碳化物；
(3)、混料
将(Ti,La)(C,N)基金属陶瓷复式碳化物和粒径为15μm的镍基高温合金GH4169粉末按重量97：3的比例置于刚玉球磨罐中，利用乙醇为液体介质，在150rpm的转速下球磨1h，完成后粉末干燥待用；
(4)、沉积
将步骤(3)干燥后的粉末分55层沉积于尺寸为80mm×80mm×10mm的低碳钢的表面，每层沉积的厚度为100μm，并通过LDM2000光纤激光加工系统进行熔覆，其中，激光源为2kW光纤激光器，光斑尺寸Φ3mm，激光波长1.06μm，激光能量范围为85J/mm2～110J/mm2。
实施例二
一种复合镍基高温合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)、金属陶瓷制备
将TiO2、La2O3、TiC和C四种材料进行烧结，得到硬质相(Ti,La)(C,N)基金属陶瓷，并置于滚筒式球磨机中干磨2.5h，然后将球磨后的混合粉料通过300目的筛网筛选，其中，硬质相(Ti,La)(C,N)基金属陶瓷中C元素的质量分数为9.5％、N元素的质量分数为10.5％、Ti元素的质量分数为79.85％以及La元素的质量分数为0.15％；
(2)、金属陶瓷碳化
参见附图1所示，将筛选后的混合粉料置于ZMT-45-25型高温石墨碳管炉中，并在1800℃高温下和氮气的保护气氛中高温氮碳化2h，得粒径为1.2μm的(Ti,La)(C,N)基金属陶瓷复式碳化物；
(3)、混料
将(Ti,La)(C,N)基金属陶瓷复式碳化物和粒径为15μm的镍基高温合金GH4169粉末按重量95：5的比例置于刚玉球磨罐中，利用乙醇为液体介质，在150rpm的转速下球磨1h，完成后粉末干燥待用；
(4)、沉积
参见附图2所示，将步骤(3)干燥后的粉末分55层沉积于尺寸为80mm×80mm×10mm的低碳钢的表面，每层沉积的厚度为100μm，并通过LDM2000光纤激光加工系统进行熔覆，其中，激光源为2kW光纤激光器，光斑尺寸Φ3mm，激光波长1.06μm，激光能量范围为85J/mm2～110J/mm2。
实施例三
一种复合镍基高温合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)、金属陶瓷制备
将TiO2、La2O3、TiC和C四种材料进行烧结，得到硬质相(Ti,La)(C,N)基金属陶瓷，并置于滚筒式球磨机中干磨2.5h，然后将球磨后的混合粉料通过300目的筛网筛选，其中，硬质相(Ti,La)(C,N)基金属陶瓷中C元素的质量分数为9.5％、N元素的质量分数为10.5％、Ti元素的质量分数为79.85％以及La元素的质量分数为0.15％；
(2)、金属陶瓷碳化
将筛选后的混合粉料置于ZMT-45-25型高温石墨碳管炉中，并在1800℃高温下和氮气的保护气氛中高温氮碳化2h，得粒径为1.2μm的(Ti,La)(C,N)基金属陶瓷复式碳化物；
(3)、混料
将(Ti,La)(C,N)基金属陶瓷复式碳化物和粒径为15μm的镍基高温合金GH4169粉末按重量93：7的比例置于刚玉球磨罐中，利用乙醇为液体介质，在150rpm的转速下球磨1h，完成后粉末干燥待用；
(4)、沉积
将步骤(3)干燥后的粉末分55层沉积于尺寸为80mm×80mm×10mm的低碳钢的表面，每层沉积的厚度为100μm，并通过LDM2000光纤激光加工系统进行熔覆，其中，激光源为2kW光纤激光器，光斑尺寸Φ3mm，激光波长1.06μm，激光能量范围为85J/mm2～110J/mm2。
对比例一
将粒径为15μm的镍基高温合金GH4169粉末直接置于刚玉球磨罐中，利用乙醇为液体介质，在150rpm的转速下球磨1h，完成后粉末干燥待用，并将干燥后的粉末分55层沉积于尺寸为80mm×80mm×10mm的低碳钢的表面，每层沉积的厚度为100μm，并通过LDM2000光纤激光加工系统进行熔覆，其中，激光源为2kW光纤激光器，光斑尺寸Φ3mm，激光波长1.06μm，激光能量范围为85J/mm2～110J/mm2
对比例二
一种复合镍基高温合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)、金属陶瓷制备
将TiO2、La2O3、TiC和C四种材料进行烧结，得到硬质相(Ti,La)(C,N)基金属陶瓷，并置于滚筒式球磨机中干磨2.5h，然后将球磨后的混合粉料通过300目的筛网筛选，其中，硬质相(Ti,La)(C,N)基金属陶瓷中C元素的质量分数为9.5％、N元素的质量分数为10.5％、Ti元素的质量分数为79.85％以及La元素的质量分数为0.15％；
(2)、金属陶瓷碳化
将筛选后的混合粉料置于ZMT-45-25型高温石墨碳管炉中，并在1800℃高温下和氮气的保护气氛中高温氮碳化2h，得粒径为1.2μm的(Ti,La)(C,N)基金属陶瓷复式碳化物；
(3)、混料
将(Ti,La)(C,N)基金属陶瓷复式碳化物和粒径为15μm的镍基高温合金GH4169粉末按重量99：1的比例置于刚玉球磨罐中，利用乙醇为液体介质，在150rpm的转速下球磨1h，完成后粉末干燥待用；
(4)、沉积
将步骤(3)干燥后的粉末分55层沉积于尺寸为80mm×80mm×10mm的低碳钢的表面，每层沉积的厚度为100μm，并通过LDM2000光纤激光加工系统进行熔覆，其中，激光源为2kW光纤激光器，光斑尺寸Φ3mm，激光波长1.06μm，激光能量范围为85J/mm2～110J/mm2。
将上述实施例一至三以及对比例一和二制备的复合镍基高温合金分别进行拉伸强度、硬度性能测试和磨损率测试，所得到的检测结果见表1。
表1力学性能测试数据
金属陶瓷添加量 拉伸强度MPa <![CDATA[硬度HV<sub>0.2</sub>]]> <![CDATA[磨损率mm<sup>3</sup>/(NM)]]>
对比例一 0 928 290 <![CDATA[13.5×10<sup>-4</sup>]]>
对比例二 1wt.％ 951 325 <![CDATA[8.1×10<sup>-4</sup>]]>
实施例一 3wt.％ 998 340 <![CDATA[6.5×10<sup>-4</sup><!-- 4 -->]]>
实施例二 5wt.％ 1105 363 <![CDATA[4.5×10<sup>-4</sup>]]>
实施例三 7wt.％ 1025 351 <![CDATA[7.1×10<sup>-4</sup>]]>
根据上述表1的数据可以看出，加入金属陶瓷后的复合镍基高温合金强度和硬度极高，拉伸强度比镍基高温合金GH4169提高了70以上，硬度也提高了50以上，相应的磨损率也大幅度降低，当金属陶瓷的添加量为5wt.％时，复合镍基高温合金的力学性能达到最高值。
综上所述，该复合镍基高温合金及其制备方法，通过添加金属陶瓷，抑制柱状晶粗化，细化胞状枝晶，并且其中的金属陶瓷相增强了复合材料的强度、拉伸性能和耐磨性。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在实施例中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种复合镍基高温合金，其特征在于，所述复合镍基高温合金由(Ti,La)(C,N)基金属陶瓷复式碳化物和镍基高温合金GH4169沉积熔覆制得，其中，(Ti,La)(C,N)基金属陶瓷复式碳化物的用量为3wt.％～7wt.％；所述(Ti,La)(C,N)基金属陶瓷复式碳化物为硬质相(Ti,La)(C,N)基金属陶瓷的粉末在石墨碳管炉中经过高温碳氮化而得到的硬质相粉末，其中，所述硬质相(Ti,La)(C,N)基金属陶瓷由TiO2、La2O3、TiC和C混合并烧结所得，且其C元素的质量分数为9.5％、N元素的质量分数为10.5％，Ti元素的质量分数为79.85％以及La元素的质量分数为0.15％。
2.根据权利要求1所述的复合镍基高温合金，其特征在于：所述硬质相(Ti,La)(C,N)基金属陶瓷复式碳化物粉末的粒径为1～1.5μm。
3.根据权利要求1所述的复合镍基高温合金，其特征在于：所述镍基高温合金GH4169为硬质相粉末，且粒径为12～20μm。
4.一种如权利要求1～3任一项所述的复合镍基高温合金的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括以下步骤：
(1)、金属陶瓷制备
将TiO2、La2O3、TiC和C四种材料混合并进行烧结，得到硬质相(Ti,La)(C,N)基金属陶瓷，并置于滚筒式球磨机中干磨2.5h，然后将球磨后的混合粉料通过300目的筛网筛选；
(2)、金属陶瓷碳化
将筛选后的混合粉料置于高温石墨碳管炉中高温氮碳化，得(Ti,La)(C,N)基金属陶瓷复式碳化物；
(3)、混料
将(Ti,La)(C,N)基金属陶瓷复式碳化物和镍基高温合金GH4169粉末按比例置于刚玉球磨罐内混合球磨，球磨后的粉末干燥放置；
(4)、沉积
将步骤(3)干燥后的粉末多层沉积于低碳钢的表面，并通过光纤激光器进行熔覆。
5.根据权利要求4所述的复合镍基高温合金的制备方法，其特征在于：所述高温石墨碳管炉中的温度为1800℃，并在氮气的保护气氛中持续氮碳化2h。
6.根据权利要求4所述的复合镍基高温合金的制备方法，其特征在于：所述刚玉球磨罐内的介质为乙醇，并在150rpm的转速下球磨1h。
7.根据权利要求4所述的复合镍基高温合金的制备方法，其特征在于：所述光纤激光器的功率为2KW，光斑直径为3mm，激光能量范围为85J/mm2～110J/mm2。
8.根据权利要求4所述的复合镍基高温合金的制备方法，其特征在于：步骤(4)中粉末沉积单层厚度为100μm，总共沉积55层。
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