CN117344179A - NiCr20TiAl合金的柴油机关重件及增材热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种NiCr20TiAl合金的柴油机关重件及增材热处理方法，包括以下步骤：合金选取步骤：设定NiCr20TiAl合金的粉末粒径以及组成成分的质量百分比；激光成形步骤：填充激光功率为200W，轮廓激光功率为80W，填充扫描速度为1100mm/s，轮廓扫描速度为400mm/s，扫描线间距为0.08mm，分层厚度为0.03mm；热等静压步骤：将打印样品放入热等静压容器内，控制容器内部温度和压力，控制保温参数和升降温参数；固溶热处理步骤：在真空环境下，以5℃/min的速率将容器内部温度提升至700℃并以700℃保温6～8小时，冷却时充入惰性气体保护，直至降至室温。本发明能够缩短加工周期，有效减少产品缺陷的产生，提升产品的力学性能指标。
Description
本申请是分案申请，原申请的申请号为：“202210280374.8”，申请日为：“2022.03.21”，发明名称为：“NiCr20TiAl合金的增材制造成形及热处理方法”。
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种NiCr20TiAl合金的柴油机关重件及增材热处理方法。
背景技术
在船舶工业领域，柴油机动力系统是船舶的“心脏”，系统内部具有迷宫式的流道、内凹腔体以及较多的精密偶部件，在服役中因承受高温、高冲刷而极易产生磨损、变形和裂纹。传统制造方式对于内外形状复杂一体化结构的零部件有较大的局限性，还存在生产周期长，原材料利用率低，总装配精度不高等缺点。
因此，亟需一种新的增材制造方法，来代替传统锻造方法完成柴油机关重件的成形加工。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种NiCr20TiAl合金的柴油机关重件及增材热处理方法，相较于锻造工艺及纯3D打印工艺，能够缩短加工周期，有效减少产品缺陷的产生，提升产品的力学性能指标，从而达到船舶工业领域的应用要求。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种NiCr20TiAl合金的柴油机关重件：NiCr20TiAl合金的组成成分的质量百分比为：Cr:20.23％，Al:1.61％，Ti:1.96％，Co:0.0582％，Fe:0.22％，Mn:0.1％，Si:0.24％，P:0.0006％，Cu:0.0055％，C:0.0872％，S:0.0018％，Ag:＜0.001％，Pb:＜0.001％，B:＜0.001％，其余为Ni。
本发明还提供一种制造所述柴油机关重件的增材热处理方法，包括以下步骤：
合金选取步骤：NiCr20TiAl合金的粉末粒径为15-53μm；
激光成形步骤：填充激光功率为200W，轮廓激光功率为80W，填充扫描速度为1100mm/s，轮廓扫描速度为400mm/s，扫描线间距为0.08mm，分层厚度为0.03mm；
热等静压步骤：将打印样品放入热等静压容器内，在真空环境下，以10～15℃/min的速率将容器内部温度提升至900℃，同时将压力调节至190MPa，接着对打印样品以900℃保温2小时，在保温过程中将压力控制在4×10-3Pa以下，然后以5～10℃/min的速率将容器内部温度冷却至400℃，最后常压气冷至60℃以下并且出炉；
固溶热处理步骤：在真空环境下，以5℃/min的速率将容器内部温度提升至700℃并以700℃保温6～8小时，冷却时充入惰性气体保护，直至降至室温。
优选地，所述增材热处理方法还包括打印样品检测步骤：将打印样品抛光后，通过金相显微镜观察打印样品的表面。
优选地，所述增材热处理方法还包括试棒检测步骤：对未经热处理的普通试棒和经热处理的随炉试棒分别进行拉伸试验。
优选地，所述增材热处理方法还包括硬度检测步骤：对随打印样品一同打印成形的三组方块试件分别进行表面洛氏硬度试验，每组的方块试件上测量多个点取平均值。
优选地，在所述热等静压步骤中，在将打印样品放入热等静压容器内之前，使用压缩空气清除打印样品的内外表面上的残留粉末。
优选地，在所述热等静压步骤中，在以10～15℃/min的速率将容器内部温度提升至900℃之前，使热等静压容器的内部处于真空状态，压强小于10-3Pa。优选地，
如上所述，本发明的NiCr20TiAl合金的柴油机关重件及增材热处理方法，具有以下有益效果：
柴油机关重件的NiCr20TiAl合金的组成成分是一种新的配方，针对柴油机关重件的特定结构进行研发的，能够提高柴油机关重件的刚强度和使用寿命，从而满足船舶工业技术领域的应用需求。
在本发明的增材热处理方法中，粉末材料选用NiCr20TiAl合金，NiCr20TiAl合金是以镍-铬为基体，并且添加铝、钛形成γ′相弥散强化的高温合金，在650～850℃之间具有良好的抗蠕变性能和抗氧化性能，是一款耐热性能和抗疲劳性能好的金属粉末。γ′相是NiCr20TiAl中最主要的强化相，显著影响NiCr20TiAl合金的蠕变性。通过热处理工艺可以改变其尺寸、形态和分布，进一步改善力学性能。更为重要的是：NiCr20TiAl合金粉末材料没有应用于增材制造金属3D打印领域的先例，对于应用方向和材料性能的研究也未开展，没有现成的工艺和技术参考。基于此，本发明针对NiCr20TiAl合金粉末开发了一套较优的工艺参数，同时通过研究热处理中的热等静压和固溶处理的工艺，使产品减少内部缺陷的产生，力学性能能够超过传统锻造件，从而满足船舶工业技术领域的应用需求。故本发明的NiCr20TiAl合金的柴油机关重件及增材热处理方法，通过合金选取步骤、激光成形步骤、热等静压步骤以及固溶热处理步骤，来制造有效减少内部缺陷产生、且极大提升力学性能指标的打印样品。因此，本发明的NiCr20TiAl合金的柴油机关重件及增材热处理方法相较于锻造工艺以及纯3D打印工艺，能够缩短加工周期，有效减少产品缺陷的产生，提升产品的力学性能指标，从而达到船舶工业领域的应用要求。
附图说明
图1显示为本发明的制造柴油机关重件的增材热处理方法的流程图；
图2显示为通过金相显微镜观察到的打印样品的缺陷分布图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本发明提供一种NiCr20TiAl合金的柴油机关重件(未予图示)，该柴油机关重件的创新点在于采用一种新的NiCr20TiAl合金，即NiCr20TiAl合金的组成成分的质量百分比为：Cr:20.23％，Al:1.61％，Ti:1.96％，Co:0.0582％，Fe:0.22％，Mn:0.1％，Si:0.24％，P:0.0006％，Cu:0.0055％，C:0.0872％，S:0.0018％，Ag:＜0.001％，Pb:＜0.001％，B:＜0.001％，其余为Ni。
在本发明的柴油机关重件中，粉末材料选用NiCr20TiAl合金，NiCr20TiAl合金是以镍-铬为基体，并且添加铝、钛形成γ′相弥散强化的高温合金，在650～850℃之间具有良好的抗蠕变性能和抗氧化性能，是一款耐热性能和抗疲劳性能好的金属粉末。γ′相是NiCr20TiAl中最主要的强化相，显著影响NiCr20TiAl合金的蠕变性。通过热处理工艺可以改变其尺寸、形态和分布，进一步改善力学性能。更为重要的是：NiCr20TiAl合金粉末材料没有应用于增材制造金属3D打印领域的先例，对于应用方向和材料性能的研究也未开展，没有现成的工艺和技术参考。更为重要的是，上述NiCr20TiAl合金的组成成分是一种新的配方，针对柴油机关重件的特定结构进行研发的，能够提高柴油机关重件的刚强度和使用寿命，从而满足船舶工业技术领域的应用需求。
如图1所示，本发明还针对NiCr20TiAl合金粉末开发了较优的一套工艺参数，同时通过研究热处理中的热等静压和固溶处理的工艺，使产品减少内部缺陷的产生，力学性能能够超过传统锻造件，从而满足船舶工业技术领域的应用需求。本发明提供一种NiCr20TiAl合金的柴油机关重件及增材热处理方法，包括以下步骤：
合金选取步骤：NiCr20TiAl合金的粉末粒径为15-53μm；
激光成形步骤：填充激光功率为200W，轮廓激光功率为80W，填充扫描速度为1100mm/s，轮廓扫描速度为400mm/s，扫描线间距为0.08mm，分层厚度为0.03mm；
热等静压步骤：将打印样品放入热等静压容器内，在真空环境下，以10～15℃/min的速率将容器内部温度提升至900℃，同时将压力调节至190MPa，接着对打印样品以900℃保温2小时，在保温过程中将压力控制在4×10-3Pa以下，然后以5～10℃/min的速率将容器内部温度冷却至400℃，最后常压气冷至60℃以下并且出炉；
固溶热处理步骤：在真空环境下，以5℃/min的速率将容器内部温度提升至700℃并以700℃保温6～8小时，冷却时充入惰性气体保护，直至降至室温。
故本发明的制造柴油机关重件的增材热处理方法，通过以下步骤，来制造有效减少内部缺陷产生、且极大提升力学性能指标的打印样品：
合金选取步骤：NiCr20TiAl合金的粉末粒径为15-53μm，NiCr20TiAl合金的组成成分的质量百分比为：Cr:20.23％，Al:1.61％，Ti:1.96％，Co:0.0582％，Fe:0.22％，Mn:0.1％，Si:0.24％，P:0.0006％，Cu:0.0055％，C:0.0872％，S:0.0018％，Ag:＜0.001％，Pb:＜0.001％，B:＜0.001％，其余为Ni；NiCr20TiAl合金的粉末粒径和组成成分如此选取，能够使成形的打印样品更加致密化和均质化，有利于后续热等静压步骤和固溶热处理步骤减少打印样品内部缺陷和提升打印样品力学性能；
激光成形步骤：填充激光功率为200W，轮廓激光功率为80W，填充扫描速度为1100mm/s，轮廓扫描速度为400mm/s，扫描线间距为0.08mm，分层厚度为0.03mm；成形激光(成形激光包括填充激光和轮廓激光)的打印参数如此设置，能够提高打印样品的成形质量；
由于热等静压温度过高或者过低均会影响打印样品的组织结构和致密度，这就需要在下述热等静压步骤中严格控制好真空度和升降温速率，即：
热等静压步骤：将打印样品放入热等静压容器(一般为热等静压炉)内，在真空环境下，以10～15℃/min的速率将容器内部温度提升至900℃，同时将压力调节至190MPa，接着对打印样品以900℃保温2小时，在保温过程中将压力控制在4×10-3Pa以下，然后以5～10℃/min的速率将容器内部温度冷却至400℃，最后常压气冷至60℃以下并且出炉；
固溶热处理步骤：在真空环境下，以5℃/min的速率将容器内部温度提升至700℃并以700℃保温6～8小时，冷却时充入惰性气体保护，直至降至室温。
上述热等静压步骤和固溶热处理步骤如此操作，在经热等静压步骤之后，进一步减少了打印样品的内部缺陷，提升了打印样品的力学性能。
因此，本发明的增材热处理方法相较于锻造工艺以及纯3D打印工艺，能够缩短加工周期，有效减少产品缺陷的产生，提升产品的力学性能指标，从而达到船舶工业领域的应用要求。
如图2所示，为了检测上述打印样品的缺陷情况，所述增材热处理方法还包括打印样品检测步骤：将打印样品抛光后，通过金相显微镜观察打印样品的表面。具体的，通过金相显微镜(放大倍数为50倍)在观察范围内的最大缺陷率为0.07％，无较大气孔和缺陷区域，整体致密度超过99.9％。
为了检测上述打印样品的力学性能，所述增材热处理方法还包括试棒检测步骤：对未经热处理的普通试棒和经热处理的随炉试棒分别进行拉伸试验。随炉试棒可分为横向摆放件和纵向摆放件，
(参考国标GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》)，检测结果如下表所示：
相较之下，热处理态下的测试样品(即经热等静压、固溶热处理的打印样品)的力学性能更加优异，较大程度地提高了上述打印样品的力学性能，性能优于纯打印态和锻造件。
为了检测上述打印样品的硬度，所述增材热处理方法还包括硬度检测步骤：对随打印样品一同打印成形的三组方块试件分别进行表面洛氏硬度试验，每组的方块试件上测量多个点取平均值，一般情况下，每组的方块试件上测量三个点取平均值。
| 编号 | 1 | 2 | 3 |
| 打印态硬度(HRC) | 33.7 | 33.8 | 33.0 |
| 热处理态硬度(HRC) | 35.7 | 36.0 | 35.2 |
由此可得，热处理后的平均硬度35.6HRC，相较热处理前的硬度(即打印态硬度)提升6.3％，整体硬度可以满足船舶应用要求。
为了避免残留粉末影响热等静压处理，在所述热等静压步骤中，在将打印样品放入热等静压容器内之前，使用压缩空气清除打印样品的内外表面上的残留粉末。
优选地，在所述热等静压步骤中，在以10～15℃/min的速率将容器内部温度提升至900℃之前，使热等静压容器的内部处于真空状态，压强小于10-3Pa。
综上所述，本发明相较于锻造工艺及纯3D打印工艺，能够缩短加工周期，有效减少产品缺陷的产生，提升产品的力学性能指标，从而达到船舶工业领域的应用要求。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (7)
1.一种NiCr20TiAl合金的柴油机关重件，其特征在于：NiCr20TiAl合金的组成成分的质量百分比为：Cr:20.23％，Al:1.61％，Ti:1.96％，Co:0.0582％，Fe:0.22％，Mn:0.1％，Si:0.24％，P:0.0006％，Cu:0.0055％，C:0.0872％，S:0.0018％，Ag:＜0.001％，Pb:＜0.001％，B:＜0.001％，其余为Ni。
2.一种制造如权利要求1所述柴油机关重件的增材热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
合金选取步骤：NiCr20TiAl合金的粉末粒径为15-53μm；
激光成形步骤：填充激光功率为200W，轮廓激光功率为80W，填充扫描速度为1100mm/s，轮廓扫描速度为400mm/s，扫描线间距为0.08mm，分层厚度为0.03mm；
热等静压步骤：将打印样品放入热等静压容器内，在真空环境下，以10～15℃/min的速率将容器内部温度提升至900℃，同时将压力调节至190MPa，接着对打印样品以900℃保温2小时，在保温过程中将压力控制在4×10-3Pa以下，然后以5～10℃/min的速率将容器内部温度冷却至400℃，最后常压气冷至60℃以下并且出炉；
固溶热处理步骤：在真空环境下，以5℃/min的速率将容器内部温度提升至700℃并以700℃保温6～8小时，冷却时充入惰性气体保护，直至降至室温。
3.根据权利要求1所述的增材热处理方法，其特征在于：所述增材热处理方法还包括打印样品检测步骤：将打印样品抛光后，通过金相显微镜观察打印样品的表面。
4.根据权利要求1所述的增材热处理方法，其特征在于：所述增材热处理方法还包括试棒检测步骤：对未经热处理的普通试棒和经热处理的随炉试棒分别进行拉伸试验。
5.根据权利要求1所述的增材热处理方法，其特征在于：所述增材热处理方法还包括硬度检测步骤：对随打印样品一同打印成形的三组方块试件分别进行表面洛氏硬度试验，每组的方块试件上测量多个点取平均值。
6.根据权利要求1所述的增材热处理方法，其特征在于：在所述热等静压步骤中，在将打印样品放入热等静压容器内之前，使用压缩空气清除打印样品的内外表面上的残留粉末。
7.根据权利要求1所述的增材热处理方法，其特征在于：在所述热等静压步骤中，在以10～15℃/min的速率将容器内部温度提升至900℃之前，使热等静压容器的内部处于真空状态，压强小于10-3Pa。
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