[发明专利]制备增强镍基高温合金复合材料单晶叶片的方法

说明书

本发明涉及制备增强镍基高温合金复合材料单晶叶片的方法，利用超细单晶镍粉作为主要原材料，加入增强材料，根据高温合金材料配方要求加入其它超细难熔金属粉末，成型后，通过电磁场约束诱导区域熔炼定向凝固再结晶的方法制备飞机发动机石墨烯增强的镍基高温合金复合材料单晶涡轮叶片。与现有技术相比，本发明充分利用增强材料的优异力学性能和高导热性，抑制单晶叶片工作时内部应力裂纹的产生和发展，提高单晶叶片的导热系数和快速散热性能，从而显著提高传统单晶叶片的高温力学性能、工作温度以及高温疲劳使用寿命，进而显著提高飞机发动机的推重比。

技术领域

本发明属于航空航天材料技术领域，尤其是涉及基于超细镍粉的电磁场诱导制备增强镍基高温合金复合材料单晶叶片的方法。

背景技术

单晶叶片是只有一个晶粒的铸造叶片。定向凝固结晶叶片消除了对空洞和裂纹敏感的横向晶界，使全部晶界平行于应力轴方向，从而改善了合金的高温使用性能。目前航空发动机涡轮叶片普遍采用复合气膜冷却式的单晶空心结构，但由于其结构形状复杂、成形精度偏低、废品率极高，并未实现单晶叶片铸造的产业化，更没有实现通过添加第二相增强材料提高涡轮叶片的性能。石墨烯是一种完全由共轭杂化的碳原子排列成的蜂巢结构的二维材料，已被证明是世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的。石墨烯具有2630m²/g的理论比表面积，其断裂强度可达125GPa,抗拉强度达到130GPa，杨氏模量高达1100GPa，导热系数高达5300W/m·K,高于碳纳米管和金刚石，而电阻率只有约1Ω·m，比铜或银更低，为电阻率最小的材料，且化学性能极为稳定。而且，碳是自然界熔点最高的物质，熔点高达3650℃。由此可见，石墨烯具有优异的力学性能和热学性能，是一种非常理想的金属固溶体第二相强化增强材料。如果将石墨烯高熔点、高强度、高比模量等优点和镍基高温合金强度高、抗疲劳抗蠕变性能好等特点结合起来，将为镍基高温合金单晶叶片的材料设计和性能提升带来巨大的影响，并有望开发出具有优异性能的石墨烯增强的镍基高温合金复合材料单晶叶片。

虽然美国专利US2012070303A1、US2012034098A1和中国专利200510046361.0提出了一种含铼的制备镍基高温合金单晶叶片方法，以及中国专利201510907051.7和201610214707.1提出了一种制备石墨烯增强的镍基高温合金的制备方法，上述这些专利要么是利用传统的定向凝固技术制备单晶叶片，要么是利用传统的复合材料技术制备镍基高温合金复合材料，仍然无法解决提高涡轮叶片性能的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有技术生产的镍基高温合金单晶叶片没有添加石墨烯增强材料，力学性能低，高温疲劳寿命短等缺点而提出的一种基于超细单晶镍粉的电磁场诱导制备增强镍基高温合金复合材料单晶叶片的方法，通过充分利用石墨烯增强材料的优异力学性能和高导热性，抑制单晶叶片工作时内部应力裂纹的产生和发展，提高单晶叶片的导热系数，以便在高温使用过程中将叶片本身的热量迅速扩散出去，从而提高涡轮叶片在高温使用时的力学性能、尤其是提高涡轮叶片的高温疲劳寿命以及工作温度。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

制备增强镍基高温合金复合材料单晶叶片的方法，采用以下步骤：

(1)以超细单晶或多晶镍粉颗粒为主要原材料，根据高温合金材料配方要求加入其它超细难熔金属粉末；

(2)添加石墨烯、碳纳米管或碳纤维为增强材料，球磨混合均匀；

(3)将添加有增强材料的混合均匀的粉体通过模具模压或3D打印成叶片毛坯；