CN118064766A - 一种纳米颗粒原位增强镍基合金的电弧增材制造用丝材及其制备方法 - Google Patents
一种纳米颗粒原位增强镍基合金的电弧增材制造用丝材及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN118064766A CN118064766A CN202410126938.1A CN202410126938A CN118064766A CN 118064766 A CN118064766 A CN 118064766A CN 202410126938 A CN202410126938 A CN 202410126938A CN 118064766 A CN118064766 A CN 118064766A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- wire
- flux
- arc additive
- particles
- nano
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 102
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 76
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims abstract description 76
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 59
- 239000000654 additive Substances 0.000 title claims abstract description 56
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 title claims abstract description 56
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 54
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 title claims abstract description 28
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 8
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 65
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 45
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 26
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 25
- 238000011049 filling Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 31
- 229910001119 inconels 625 Inorganic materials 0.000 claims description 29
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 claims description 24
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 15
- KZHJGOXRZJKJNY-UHFFFAOYSA-N dioxosilane;oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Si]=O.O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O.O=[Al]O[Al]=O.O=[Al]O[Al]=O KZHJGOXRZJKJNY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 239000010433 feldspar Substances 0.000 claims description 13
- 229910052863 mullite Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 13
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N titanium dioxide Inorganic materials O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 12
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 claims description 11
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 229910025794 LaB6 Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 claims description 8
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims description 7
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 claims description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 abstract description 24
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 abstract description 24
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 abstract description 18
- 239000013078 crystal Substances 0.000 abstract description 15
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 abstract description 7
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 abstract description 7
- 238000007711 solidification Methods 0.000 abstract description 6
- 230000008023 solidification Effects 0.000 abstract description 6
- 238000009736 wetting Methods 0.000 abstract description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 5
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 10
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 10
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 9
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 8
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 6
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 6
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 6
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 6
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 5
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 5
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 5
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 5
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 4
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910033181 TiB2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000005242 forging Methods 0.000 description 2
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 2
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 2
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000005204 segregation Methods 0.000 description 2
- 239000002893 slag Substances 0.000 description 2
- 229910000851 Alloy steel Inorganic materials 0.000 description 1
- QYEXBYZXHDUPRC-UHFFFAOYSA-N B#[Ti]#B Chemical compound B#[Ti]#B QYEXBYZXHDUPRC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005411 Van der Waals force Methods 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 1
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000011960 computer-aided design Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000006477 desulfuration reaction Methods 0.000 description 1
- 230000023556 desulfurization Effects 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 230000009545 invasion Effects 0.000 description 1
- MRELNEQAGSRDBK-UHFFFAOYSA-N lanthanum oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[La+3].[La+3] MRELNEQAGSRDBK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001068 laves phase Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 1
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 229910000601 superalloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
- 238000004227 thermal cracking Methods 0.000 description 1
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
- C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
- C22C19/05—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
- C22C19/051—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W
- C22C19/055—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W with the maximum Cr content being at least 20% but less than 30%
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
- B21C1/00—Manufacture of metal sheets, metal wire, metal rods, metal tubes by drawing
- B21C1/003—Drawing materials of special alloys so far as the composition of the alloy requires or permits special drawing methods or sequences
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
- B22F10/20—Direct sintering or melting
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
- B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
- B22F9/04—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from solid material, e.g. by crushing, grinding or milling
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
- B33Y70/10—Composites of different types of material, e.g. mixtures of ceramics and polymers or mixtures of metals and biomaterials
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C30/00—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C30/00—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
- C22C30/02—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent containing copper
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
- C22C32/0005—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with at least one oxide and at least one of carbides, nitrides, borides or silicides as the main non-metallic constituents
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
- B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
- B22F9/04—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from solid material, e.g. by crushing, grinding or milling
- B22F2009/043—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from solid material, e.g. by crushing, grinding or milling by ball milling
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Civil Engineering (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
本发明公开了一种纳米颗粒原位增强镍基合金的电弧增材制造用丝材及其制备方法。一种纳米颗粒原位增强镍基合金的电弧增材制造用丝材，由外层的药皮和内层的药芯粉末构成，药芯粉末加入纳米级LaB6颗粒，药芯粉末的填充率为10％‑23％。本发明通过向药芯粉末中添加LaB6纳米颗粒，在高温下与镍基合金丝材中的Ti元素发生反应，原位生成La2O3和TiB2颗粒，这些颗粒和基体有着良好的润湿关系，凝固后均匀分布在合金基体中，在提高强度的同时，促进等轴晶的异质形核，细化晶粒，最终提升合金的强塑性，此外，原位生成的La2O3颗粒还有利于高温氧化期间合金表面Cr2O3氧化层的快速形成，进一步提升了合金高温抗氧化性能。
Description
技术领域：
本发明涉及镍基合金丝材技术领域，具体涉及一种纳米颗粒原位增强镍基合金的电弧增材制造用丝材及其制备方法。
背景技术：
Inconel 625合金是一种应用广泛的镍基合金，由于其在高温下有着良好的强度和抗氧化、耐腐蚀性能，常应用在航天航空、石油化工、海洋建筑等领域，如航空航天推进器和工业燃气轮机的燃烧室、高压涡轮机(叶片、叶片、圆盘、轴)、护罩、密封件、低压涡轮机叶片和涡轮机外壳、涡轮发动机等。Inconel 625合金结构件的传统制造方法有锻造、铸造等，然而，由于其具有高硬度、高温强度以及低热扩散率的特点，通过减材制造Inconel 625合金结构件的成本较高，材料利用率低，且难以制备结构复杂的工件。
电弧增材制造是一种结合了焊接方法与计算机辅助设计的加工技术，其原理为利用电弧将丝材熔化按照设置好的路径制造出所需的部件，并且可以利用层层堆焊成型工艺来构建非常复杂的几何形状。与传统的铸造、锻造等加工方法相比，电弧增材制造技术可以克服成形后需要进行减材制造而造成的浪费，有着更高的材料利用率，并且有着计算机的辅助可以大大减少设计和制造所需的时间。与粉末激光增材制造对比，电弧增材制造所使用的丝材更容易保存，并且有着更高的沉积速率。因此，电弧增材制造更加适合Inconel625合金的产业化应用。
然而，电弧增材制造Inconel 625合金仍面临着一定的挑战，由于增材制造的逐层打印有着重复加热和冷却的特性，导致了制造过程中沉积合金的原位热处理，促使凝固组织外延生长且晶粒粗大，同时还会造成Nb和Mo等元素在凝固末期于枝晶间区域富集，形成Laves相、MC碳化物等二次相，这虽然带来了强度的提高但极大损害了塑性。其次，由于Nb元素的偏析，在Inconel 625合金高温氧化期间，会在表面Cr2O3氧化层中形成大量的Nb1.5Cr0.5O4颗粒，降低Cr2O3氧化层在基体表面的粘附性，并且在氧化层中产生大量的空隙，最终导致Inconel 625合金高温抗氧化性能的下降。
在高性能镍基合金的研究中发现，通过向镍基合金中添加特定的陶瓷颗粒可有效提高抗氧化性和强塑性，这些陶瓷颗粒均匀地分布在合金的凝固组织中，一方面可以起到弥散强化的作用，另一方面部分陶瓷颗粒还可以促进粗大的柱状晶向等轴晶转变，细化晶粒，为高温氧化过程期间合金中Cr元素提供更多的扩散通道，促进合金表面致密氧化层的快速形成，从而提高合金的高温抗氧化性能。如CN116623040A公开了一种镍基合金组织细化方法及应用，该方法通过引入与基体具有半共格界面的纳米级La2O3(100-300nm，平均尺寸200nm)，使其在液态熔池中生成大量的弥散形核质点，促进柱状晶向等轴晶的转变，细化晶粒。然而，直接加入的La2O3颗粒与基体润湿关系差，颗粒与基体的间隙容易成为拉伸断裂的引发点和氧化的侵入点，力学性能和高温抗氧化性能未得到充分的提高，且这些颗粒易团聚粗化，严重影响了其强化效果。公开号CN112008087A的专利公开了一种碳纳米材料增强镍基高温合金高温抗氧化性能的方法，该方法利用碳纳米材料表面包覆致密镍层，并通过特定的球磨工艺，获得碳纳米材料均匀分散的混合粉末，实现碳纳米材料的进一步均匀分散，解决了因碳纳米材料易团聚、与基体界面结合差等导致高温抗氧化性能差的问题。
Zhang的“Microhardness and microstructure evolution of TiB2 reinforcedInconel 625/TiB2composite produced by selective laser melting”的文章指出，在镍基合金中加入TiB2可以细化晶粒，提高硬度，但引入的TiB2易在晶间聚集，最终损害合金的塑性。Wang的“Rare earth elements modification of laser-clad nickel-based alloycoatings”的文章指出La2O3的加入可以促进镍基合金涂层的晶粒细化，这是因为La2O3具有较高的熔点，这为镍基合金的冷却和结晶过程中提供了异质形核位点，有效促进了等轴晶转变并阻碍了晶粒的生长，但未溶解的La2O3颗粒较易团聚，显著增加了熔体池中夹杂物的数量。
综上所述，利用陶瓷颗粒的添加促进合金晶粒细化已经有了一定的研究，并且可以提高合金的强度与高温抗氧化性，但是直接加入陶瓷颗粒由于与合金基体较差的润湿性，难以均匀分布在基体中，此外，直接引入的陶瓷颗粒在高温下易于团聚并粗化成大颗粒，最终导致熔覆过程中纳米陶瓷颗粒失效且易产生裂纹，造成合金的塑性下降。因此，有必要探寻一种新型的纳米颗粒引入方法，一方面避免纳米颗粒的团聚粗化，另一方面保证与基体良好的润湿关系。
发明内容：
为了克服现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种纳米颗粒原位增强镍基合金的电弧增材制造用丝材及其制备方法，本发明通过向药芯粉末中添加LaB6纳米颗粒，在高温下与镍基合金丝材中的Ti元素发生反应，原位生成La2O3和TiB2颗粒，这些颗粒和基体有着良好的润湿关系，凝固后均匀分布在合金基体中，在提高强度的同时，促进等轴晶的异质形核，细化晶粒，最终提升合金的强塑性。此外，原位生成的La2O3颗粒还有利于高温氧化期间合金表面Cr2O3氧化层的快速形成，进一步提升了合金高温抗氧化性能。
本发明的第一个目的是提供一种纳米颗粒原位增强镍基合金的电弧增材制造用丝材，由外层的药皮和内层的药芯粉末构成，所述的药芯粉末加入纳米级LaB6颗粒，药芯粉末的填充率为10％-23％。
优选地，按总质量百分比为100％计，所述药芯粉末由如下原料组成：Cr 20％-26％，Mo7％-10％，Nb 3％-5％，Ti 0.2％-1％，C<0.05％，Cu<0.5％，Fe<5％，Mn<0.5％，P<0.02％，S<0.015％，Si<0.5％，Al<0.4％，LaB6 0.25％-1％，金红石1％-1.4％，MnO≤0.5％，长石1％-2.8％，莫来石0.4％-1.0％，剩余为Ni。
进一步优选，按总质量百分比为100％计，所述药芯粉末由如下原料组成：Cr20％-23％，Mo 8％-10％，Nb 3.15％-4.15％，Ti 0.5％-1％，C<0.05％，Cu<0.5％，Fe<5％，Mn<0.5％，P<0.02％，S<0.015％，Si<0.5％，Al<0.4％，LaB6 0.25％-0.5％，金红石1％-1.4％，MnO≤0.5％，长石1％-2.8％，莫来石0.4％-1.0％，剩余为Ni。
优选地，所述的药皮为Inconel 625药皮。
优选地，丝材直径为1.2mm。
优选地，纳米级LaB6颗粒的粒径为50-150nm，平均尺寸为100nm。
本发明提出的镍基合金电弧增材制造用丝材中加入了平均尺寸为100nm的LaB6纳米颗粒，通过高温下与镍基合金基体的原位反应，生成了弥散分布的La2O3，在增材制造凝固期间可以成为有效的异质形核质点，促进等轴晶形核，细化晶粒，同时生成的TiB2颗粒均匀分布在基体中，显著提高合金的力学性能。除此之外，有效的晶粒细化使得晶界数量提高，可以在高温氧化期间为Cr元素提供更多的扩散通道，促进致密氧化层的快速形成，并且原位生成的La2O3颗粒还可作为合金表面氧化物的形核点，提高氧化膜的致密度，从而改善电弧增材制造镍基合金的高温抗氧化性能。
药芯粉末添加的莫来石、长石和金红石作为造渣剂，可起到稳定电弧、调节熔渣物理性能、保护焊接熔滴和熔池等作用。药芯粉末中添加的MnO有脱硫的作用，其中的Mn元素与S反应形成高熔点的MnS，可以防止FeS的形成，从而降低镍基合金的热裂纹敏感性。反应过程为：2MnO→2Mn+O2，Si+O2→SiO2，Mn+S→MnS。
本发明的第二个目的是提供所述的电弧增材制造用丝材的制备方法，包括如下步骤：
S1、在球磨容器中按比例加入药芯粉末和LaB6纳米颗粒，球磨完成后，将混合粉末干燥；
S2、将药皮材料干燥后轧成U形药皮，之后把步骤S1干燥后的混合粉末按照上述填充率加入到U形药皮中，然后将丝材拉拔成所述的电弧增材制造用丝材。
优选地，步骤S1所述的球磨工艺参数设置为：正转14-16min，停止4-6min，反转14-16min，停止4-6min，重复以上步骤，总时间为72-88min。
进一步优选，优选地，步骤S1所述的球磨工艺参数设置为：正转15min，停止5min，反转15min，停止5min，重复以上步骤，总时间为80min。
为了均匀地混合药芯粉末和LaB6纳米颗粒，本发明通过不断调整球磨工艺参数得到了最优的混合药芯粉末和LaB6纳米颗粒球磨工艺参数，药芯选用的药芯粉末和LaB6纳米颗粒平均大小分别为150mm和100nm。球磨时间较长(正转30min，停止20min，反转30min)时，LaB6和Inconel 625药芯粉末会出现一定的分层，其原因为细小的LaB6纳米颗粒在同一个方向转的时间越长，球磨机的惯性越大，在范德华力的作用下LaB6颗粒更容易发生团聚，在后续的反转球磨时，之前团聚的LaB6颗粒会发生一定程度上的分开，但是反转时间长后同样会出现团聚的问题，最终产生LaB6和Inconel 625药芯粉末的分层现象，为解决该问题，本发明通过改进球磨参数，缩短正反转时间，最终LaB6纳米颗粒均匀的分布在了药芯粉末表面。
优选地，步骤S1所述的干燥条件为：加热到100℃并保温1h。
本发明的第三个目的是提供所述的电弧增材制造用丝材在制备Inconel 625电弧增材制造部件中的应用中的应用。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明生产的电弧增材专用丝材增材制造后，成形性良好，无表面缺陷及内部气孔。
2.本发明通过LaB6纳米颗粒在增材制造过程中与镍基合金的原位反应，生成的La2O3和TiB2均匀分布在基体中，与基体的润湿关系良好，可以起到弥散强化和诱发异质形核的作用，在大幅提高沉积金属强度的同时，兼具优异的塑性。
3.本发明通过La2O3有效的晶粒细化，使得晶界数量提高，可以在高温氧化期间为Cr元素提供更多的扩散通道，促进致密氧化层的快速形成，并且原位生成的La2O3颗粒还可作为合金表面氧化物的形核点，提高氧化膜的致密度，从而改善电弧增材制造镍基合金的高温抗氧化性能。
4.本发明在球磨混合药芯粉末和LaB6纳米颗粒时，本发明在不改变球磨总时间的同时，通过缩短一次正反转时间和提升正反转次数，解决了因为球磨机的惯性过大促使LaB6纳米颗粒发生团聚的现象，有效地使LaB6纳米颗粒均匀的分布在了药芯粉末上。
5.本发明提出的药芯焊丝相比于实心焊丝，在合金成分的调控方面更具灵活性，可以通过直接改变药芯成分来控制沉积金属成分，调控其组成更加方便，另一方面药芯焊丝的生产成本更低。
总之，本发明通过在药芯粉末中添加LaB6纳米颗粒与镍基合金发生原位反应，并采用改进的球磨工艺，促使原位生成的强化颗粒均匀分布于镍基合金基体中，在保证提升强度的同时，还提升了电弧增材部件的塑性和高温抗氧化性能，解决了电弧增材制造中直接加入陶瓷颗粒后与合金基体润湿性差、陶瓷颗粒易团聚、易在晶界形成粗大的有害相等问题。
附图说明：
图1为实施例3的显微组织图；
图2为对比例1的显微组织图；
图3为对比例2的显微组织图。
具体实施方式：
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。除特别说明，本文中的实验材料和试剂均为本技术领域常规市购产品。
实施例1
一种镍基合金电弧增材制造用丝材，采用Inconel 625带作为药芯焊丝外皮包裹药芯粉末，药芯粉末的填充率为15％，药芯焊丝拉伸的直径为1.2mm。按总质量百分比为100％计，药芯粉末由如下原料组成：Cr 23％，Mo 8.5％，Nb 4％，Ti 0.6％，LaB6 1％，C0.04％，Cu 0.4％，Fe 4％，Mn 0.4％，P 0.01％，S 0.01％，Si 0.4％，Al 0.3％，金红石1.2％，MnO 0.4％，长石1.9％，莫来石0.7％，剩余为Ni。
上述镍基合金电弧增材制造用丝材的制备方法，具体步骤如下：
步骤S1：在球磨罐中按比例加入药芯粉末和LaB6纳米颗粒，球磨工艺参数设置为：正转15min，停止5min，反转15min，停止5min，重复以上步骤，总时间为80min，球磨完成后，将混合粉末放入干燥炉加热到100℃，保温1h，得到干燥粉末。
步骤S2：将Inconel 625药皮放入大型干燥炉加热到100℃并保温1h，冷却后在无尘车间中利用成型轧辊将Inconel 625带轧成U形，之后通过送粉装置把步骤S1得到的混合粉末按照上述填充率加入到U形药皮中，然后通过拉拔模卷成直径为1.2mm的药芯丝材。
实施例2：
一种镍基合金电弧增材制造用丝材，采用Inconel 625带作为药芯焊丝外皮包裹药芯粉末，药芯粉末的填充率为15％，药芯焊丝拉伸的直径为1.2mm。按总质量百分比为100％计，所述药芯粉末由如下原料组成：Cr 23％，Mo 8.5％，Nb 4％，Ti 0.6％，LaB60.75％，C 0.04％，Cu 0.4％，Fe 4％，Mn 0.4％，P 0.01％，S 0.01％，Si 0.4％，Al 0.3％，金红石1.2％，MnO 0.4％，长石1.9％，莫来石0.7％，剩余为Ni。
镍基合金电弧增材制造用丝材的制备方法同实施例1。
实施例3：
一种镍基合金电弧增材制造用丝材，采用Inconel 625带作为药芯焊丝外皮包裹药芯粉末，药芯粉末的填充率为15％，药芯焊丝拉伸的直径为1.2mm。按总质量百分比为100％计，所述药芯粉末由如下原料组成：Cr 23％，Mo 8.5％，Nb 4％，Ti 0.6％，LaB60.5％，C 0.04％，Cu 0.4％，Fe 4％，Mn 0.4％，P 0.01％，S 0.01％，Si 0.4％，Al 0.3％，金红石1.2％，MnO 0.4％，长石1.9％，莫来石0.7％，剩余为Ni。
镍基合金电弧增材制造用丝材的制备方法同实施例1。
如图1所示，此实施例获得的电弧增材制造结构件完全由细小的等轴晶构成，这种组织既可以提升结构件的强塑性，也可以改善高温抗氧化性能。
实施例4：
一种镍基合金电弧增材制造用丝材，采用Inconel 625带作为药芯焊丝外皮包裹药芯粉末，药芯粉末的填充率为15％，药芯焊丝拉伸的直径为1.2mm。按总质量百分比为100％计，所述药芯粉末由如下原料组成：Cr 23％，Mo 8.5％，Nb 4％，Ti 0.6％，LaB60.25％，C 0.04％，Cu 0.4％，Fe 4％，Mn 0.4％，P 0.01％，S 0.01％，Si 0.4％，Al 0.3％，金红石1.2％，MnO 0.4％，长石1.9％，莫来石0.7％，剩余为Ni。
镍基合金电弧增材制造用丝材的制备方法同实施例1。
对比例1：
参考实施例1，不同之处在于，药芯粉末没有LaB6纳米颗粒。
一种镍基合金电弧增材制造用丝材，采用Inconel 625带作为药芯焊丝外皮包裹药芯粉末，药芯粉末的填充率为15％，药芯焊丝拉伸的直径为1.2mm。按总质量百分比为100％计，所述药芯粉末由如下原料组成：Cr 23％，Mo 8.5％，Nb 4％，Ti 0.6％，C 0.04％，Cu 0.4％，Fe 4％，Mn 0.4％，P 0.01％，S 0.01％，Si 0.4％，Al 0.3％，金红石1.2％，MnO0.4％，长石1.9％，莫来石0.7％，剩余为Ni。
镍基合金电弧增材制造用丝材的制备方法同实施例1。
如图2所示，此对比例获得的电弧增材制造结构件由粗大的柱状晶构成，这种组织的强塑性较差，且在镍基合金中易发生Nb、Mo等元素的偏聚，降低结构件的高温抗氧化性。
对比例2：
参考实施例1，不同之处在于，药芯粉末加入了平均粒径为100nm的La2O3纳米颗粒。
一种镍基合金电弧增材制造用丝材，采用Inconel 625带作为药芯焊丝外皮包裹药芯粉末，药芯粉末的填充率为15％，药芯焊丝拉伸的直径为1.2mm。按总质量百分比为100％计，所述药芯粉末由如下原料组成：Cr 23％，Mo 8.5％，Nb 4％，Ti 0.6％，La2O31％，C0.04％，Cu0.4％，Fe 4％，Mn 0.4％，P 0.01％，S 0.01％，Si 0.4％，Al 0.3％，金红石1.2％，MnO 0.4％，长石1.9％，莫来石0.7％，剩余为Ni。
镍基合金电弧增材制造用丝材的制备方法同实施例1。
如图3所示，此对比例获得的电弧增材制造结构件由粗大的柱状晶与部分等轴晶构成，这表明添加的La2O3颗粒可能由于与基体润湿关系差或部分聚集粗大，极大降低了其强化镍基合金的效果。
分别对实施例1-4和对比例1-2制备的适用于电弧增材制造的药芯焊丝，采用电弧增材制造设备(CMT)在Q235低碳低合金钢上进行沉积，焊接速度7mm/s，焊接电压167V，焊接电流26.6A，干伸长12mm，层间冷却150℃，保护气体为98％Ar+CO2，气流量10L/min。此外，对增材制造结构件的性能进行测试，其机械性能测试方法参考GB/T 39254-2020《增材制造金属制件机械性能评价通则》。高温氧化试验在无保护气氛的高温马弗炉中进行，试验温度为1000℃，实验时间为150h，实验过程和测试方法参照国标GB/T13303-91《钢的抗氧化性能测定方法》进行。以没有加入LaB6纳米颗粒的Inconel 625药芯焊丝作为对比例，性能测试结果如下表1所示。
表1实施例1-4和对比例1-2的增材制造结构件性能测试结果
实施例5
一种镍基合金电弧增材制造用丝材，采用Inconel 625带作为药芯焊丝外皮包裹药芯粉末，药芯粉末的填充率为10％，药芯焊丝拉伸的直径为1.2mm。按总质量百分比为100％计，药芯粉末由如下原料组成：Cr 20％，Mo 7％，Nb 3％，Ti 0.2％，C 0.04％，Cu0.4％，Fe 4％，Mn 0.4％，P 0.01％，S 0.01％，Si 0.4％，Al 0.3％，LaB6 0.5％，金红石1％，MnO 0.5％，长石1％，莫来石0.4％，剩余为Ni。
上述镍基合金电弧增材制造用丝材的制备方法，具体步骤如下：
步骤S1：在球磨罐中按比例加入药芯粉末和LaB6纳米颗粒，球磨工艺参数设置为：正转14min，停止4min，反转14min，停止4min，重复以上步骤，总时间为72min，球磨完成后，将混合粉末放入干燥炉加热到100℃，保温1h，得到干燥粉末。
步骤S2：将Inconel 625药皮放入大型干燥炉加热到100℃并保温1h，冷却后在无尘车间中利用成型轧辊将Inconel 625带轧成U形，之后通过送粉装置把步骤S1得到的混合粉末按照上述填充率加入到U形药皮中，然后通过拉拔模卷成直径为1.2mm的药芯丝材。
实施例6
一种镍基合金电弧增材制造用丝材，采用Inconel 625带作为药芯焊丝外皮包裹药芯粉末，药芯粉末的填充率为23％，药芯焊丝拉伸的直径为1.2mm。按总质量百分比为100％计，药芯粉末由如下原料组成：Cr 26％，Mo 10％，Nb 5％，Ti 1％，C 0.04％，Cu0.4％，Fe 4％，Mn 0.4％，P 0.01％，S 0.01％，Si 0.4％，Al 0.3％，LaB6 0.5％，金红石1.4％，MnO 0.5％，长石2.8％，莫来石1.0％，剩余为Ni。
上述镍基合金电弧增材制造用丝材的制备方法，具体步骤如下：
步骤S1：在球磨罐中按比例加入药芯粉末和LaB6纳米颗粒，球磨工艺参数设置为：正转16min，停止6min，反转16min，停止6min，重复以上步骤，总时间为88min，球磨完成后，将混合粉末放入干燥炉加热到100℃，保温1h，得到干燥粉末。
步骤S2：将Inconel 625药皮放入大型干燥炉加热到100℃并保温1h，冷却后在无尘车间中利用成型轧辊将Inconel 625带轧成U形，之后通过送粉装置把步骤S1得到的混合粉末按照上述填充率加入到U形药皮中，然后通过拉拔模卷成直径为1.2mm的药芯丝材。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种纳米颗粒原位增强镍基合金的电弧增材制造用丝材，由外层的药皮和内层的药芯粉末构成，其特征在于，所述的药芯粉末加入纳米级LaB6颗粒，药芯粉末的填充率为10％-23％。
2.根据权利要求1所述的电弧增材制造用丝材，其特征在于，按总质量百分比为100％计，所述的药芯粉末由如下原料组成：Cr 20％-26％，Mo 7％-10％，Nb 3％-5％，Ti 0.2％-1％，C<0.05％，Cu<0.5％，Fe<5％，Mn<0.5％，P<0.02％，S<0.015％，Si<0.5％，Al<0.4％，LaB6 0.25％-1％，金红石1％-1.4％，MnO≤0.5％，长石1％-2.8％，莫来石0.4％-1.0％，剩余为Ni。
3.根据权利要求2所述的电弧增材制造用丝材，其特征在于，按总质量百分比为100％计，所述的药芯粉末由如下原料组成：Cr 20％-23％，Mo 8％-10％，Nb 3.15％-4.15％，Ti0.5％-1％，C<0.05％，Cu<0.5％，Fe<5％，Mn<0.5％，P<0.02％，S<0.015％，Si<0.5％，Al<0.4％，LaB60.25％-0.5％，金红石1％-1.4％，MnO≤0.5％，长石1％-2.8％，莫来石0.4％-1.0％，剩余为Ni。
4.根据权利要求1-3任一项所述的电弧增材制造用丝材，其特征在于，所述的药皮为Inconel 625药皮。
5.根据权利要求1-3任一项所述的电弧增材制造用丝材，其特征在于，所述的丝材直径为1.2mm。
6.根据权利要求1-3任一项所述的电弧增材制造用丝材，其特征在于，所述的纳米级LaB6颗粒的粒径为50-150nm，平均尺寸为100nm。
7.权利要求1-3任一项所述的电弧增材制造用丝材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在球磨容器中按比例加入药芯粉末和LaB6纳米颗粒，球磨完成后，将混合粉末干燥；
S2、将药皮材料干燥后轧成U形药皮，之后把步骤S1干燥后的混合粉末按照上述填充率加入到U形药皮中，然后将丝材拉拔成所述的电弧增材制造用丝材。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤S1球磨工艺参数设置为：正转14-16min，停止4-6min，反转14-16min，停止4-6min，重复以上步骤，总时间为72-88min。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤S1所述的干燥条件为：加热到100℃并保温1h。
10.权利要求1-3任一项所述的电弧增材制造用丝材在制备Inconel 625电弧增材制造部件中的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410126938.1A CN118064766A (zh) | 2024-01-30 | 2024-01-30 | 一种纳米颗粒原位增强镍基合金的电弧增材制造用丝材及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410126938.1A CN118064766A (zh) | 2024-01-30 | 2024-01-30 | 一种纳米颗粒原位增强镍基合金的电弧增材制造用丝材及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN118064766A true CN118064766A (zh) | 2024-05-24 |
Family
ID=91104814
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410126938.1A Pending CN118064766A (zh) | 2024-01-30 | 2024-01-30 | 一种纳米颗粒原位增强镍基合金的电弧增材制造用丝材及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN118064766A (zh) |
-
2024
- 2024-01-30 CN CN202410126938.1A patent/CN118064766A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5346791B2 (ja) | 硬質金属材料の製造方法 | |
| JP3813311B2 (ja) | 元素状粉末の熱化学処理による鉄アルミナイドの製造方法 | |
| CN112080670B (zh) | 一种高温合金及其制备方法 | |
| CN112746213B (zh) | 一种高熵合金纳米复合材料及其制备方法 | |
| Fattahi et al. | Novel manufacturing process of nanoparticle/Al composite filler metals of tungsten inert gas welding by accumulative roll bonding | |
| EP4048463A1 (en) | Printable powder material of fecral for additive manufacturing and an additive manufactured object and the uses thereof | |
| Li et al. | Strengthening of the magnesium matrix composites hybrid reinforced by chemically oxidized carbon nanotubes and in situ Mg2Sip | |
| KR101578458B1 (ko) | 티타늄-알루미늄계 금속간화합물 및 이의 제조방법 | |
| CN115141967B (zh) | 高熵合金复合材料及其制备方法与应用 | |
| Chen et al. | Effect of TiC on the high-temperature oxidation behavior of WMoTaNbV refractory high entropy alloy fabricated by selective laser melting | |
| CN117165830B (zh) | 齿轮钢及其制备方法 | |
| CN118064766A (zh) | 一种纳米颗粒原位增强镍基合金的电弧增材制造用丝材及其制备方法 | |
| CN105420574A (zh) | 一种高温强度优异的镁铜合金及其制备方法 | |
| CN116200622B (zh) | 一种超细晶TiAl合金及其复合材料的制备方法 | |
| CN101774012A (zh) | 一种在钢液中形成Ti2O3纳米颗粒的制备方法 | |
| WO2021068289A1 (zh) | 一种高强度高塑性单相 Inconel 625 镍基合金及其制备方法 | |
| CN115449659B (zh) | 氧化物弥散强化镍基高温合金及其制备方法和应用 | |
| Li et al. | Phase constituents and microstructure of Ti3Al/Fe3Al+ TiN/TiB2 composite coating on titanium alloy | |
| Guo et al. | Enhanced combination of strength and electrical conductivity properties with CrB2 reinforced Cu matrix composites fabricated by powder metallurgy | |
| JP7563652B2 (ja) | 金属ａｍ用銅合金粉末および積層造形物の製造方法 | |
| JP7513224B1 (ja) | 金属ａｍ用銅合金粉末および積層造形物の製造方法 | |
| WO2024090448A1 (ja) | 金属ａｍ用銅合金粉末および積層造形物の製造方法 | |
| CN115287501B (zh) | 激光增材制造用gh3536高温合金粉末及其制备方法 | |
| CN115780968B (zh) | 一种调控双相不锈钢微观组织结构及耐蚀性能的方法 | |
| WO2023231267A1 (zh) | 合金及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |