[发明专利]降低3D打印用镍基高温合金粉末材料热裂倾向的方法

说明书

技术领域

本发明是一种降低3D打印用镍基高温合金粉末材料热裂倾向的方法，属于粉末高温合金领域。

背景技术

燃气涡轮制造技术是一个国家最高工业水平的标志之一，高温合金被称为燃气涡轮的心脏，一直以来都被用来制造燃气涡轮热端关键部件。提高涡轮前进口温度是提高发动机效率和推重比最有效的方法，这也对材料的承温能力提出了更高的要求，目前燃气涡轮中热端部件很多采用高强型镍基高温合金。3D打印是一种非常适合于发动机结构复杂零件成形和修复的工艺，它既节约了开模具的时间和高额成本，也不像铸造和锻造工艺有时会受零件复杂程度的限制。3D打印制造技术目前已应用于飞机钛合金结构件，也开始尝试应用于制造发动机热端部件。其中部分强度水平较低的固溶强化型高温合金已有3D打印工艺方面的报导，但采用3D打印工艺制备高强型高温合金发动机热端部件并成功将其应用于燃气涡轮发动机的案例尚未见报导。高温合金在3D打印过程中由于升降温速度快，较传统精密铸造工艺熔化和凝固过程更易形成热裂纹。高强型高温合金由于γ’含量较高，其热裂倾向也远高于固溶强化型高温合金，因此以往通过单纯工艺参数调整难以消除热裂。目前，限制高强型高温合金3D打印应用的最大屏障之一就是其热裂倾向高，工艺参数窗口可调整范围较窄。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术状况而设计提供了一种降低3D打印用镍基高温合金粉末材料热裂倾向的方法，其目的是通过在镍基高温合金中添加较高含量的元素Hf、B或两者的混合物，随后采用惰性气体雾化或者等离子旋转电极法快速凝固制备过饱和合金粉末，降低大体积分数γ’强化高强型镍基合金粉末在3D激光/电子束快速熔化、凝固过程中的热裂敏感性，为高强型镍基高温合金粉末3D打印部件提供更宽的工艺参数调整窗口。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种降低3D打印用镍基高温合金粉末材料热裂倾向的方法是在镍基高温合金中添加元素Hf、B或两者的混合物，其中：

单独添加元素Hf的量为镍基高温合金质量的3.0％～6.5％；

单独添加元素B的量为镍基高温合金质量的0.10％～0.20％；

添加元素Hf、B的混合物时，元素Hf的量为镍基高温合金质量的2.0％～4.0％，元素B的量为镍基高温合金质量的0.10％～0.15％；

添加元素Hf、B或两者的混合物后的镍基高温合金通过惰性气体雾化法或者等离子旋转电极法快速凝固制备合金粉末。

所述的合金粉末为成分均匀的过饱和合金粉末，该合金粉末在快速凝固的条件下所添加的元素含量可以超出平衡溶解度极限，同时元素偏析被限制在细小粉末内部微米极树枝晶尺度的微小范围内。该合金粉末在激光/电子束3D打印快速熔化过程中呈熔化和半熔化状态，在随后的快速凝固过程中同样凝固成细小树枝晶组织，元素偏析被限制在枝晶间距微米数量级。同时，粉末在快速凝固成块体材料的过程中凝固后期熔体流动性好，液体通道边界平滑并保持连通到更低温度，这使合金已凝固部分树枝晶搭接部分具有较高的强度，从而防止大体积分数γ’强化高强型镍基合金粉末在3D激光/电子束快速熔化、凝固过程中的热裂缺陷的形成。

本发明技术方案的优点在于，消除或减轻高γ’含量高强型镍基高温合金粉末3D激光/电子束快速成形工艺快速升降温过程的热裂缺陷，为高γ’含量高强型镍基高温合金粉末3D打印部件提供更宽的工艺参数调整窗口，从而提高成品率，成品率提高50％以上。

具体实施方式

实施例1

将本发明方法用于下述镍基高温合金，该合金的重量百分比成分为：

12.9Cr-20.2Co-2.0W-3.9Mo-3.5Al-3.7Ti-1.0Nb-2.3Ta-0.02C-0.03B-0.05Zr-余量为Ni，在该合金中加入元素Hf，加入量为该合金重量的3.0％，制备该合金的母合金后通过真空感应熔炼重熔，随后通过氩气雾化快速凝固制备过饱和合金粉末，然后对合金粉末进行筛分，粒度范围1～53μm，装入真空或气氛保护储存罐中备用，再采用激光快速重熔合金粉末并冷却凝固成块体材料，通过目视和荧光渗透检查该块体材料未发现热裂纹。

实施例2

将本发明方法用于下述镍基高温合金，该合金的重量百分比成分为：