[发明专利]一种Nb-Si基合金粉末的制备方法及应用

说明书

一种Nb‑Si基合金粉末的制备方法及应用，属于粉末冶金和增材制造技术领域。所述方法如下：合金熔炼：对合金原料进行熔炼；加工电极：对熔炼的合金进行精车加工；雾化制粉：对合金电极圆棒进行雾化制粉；惰性气体回收净化：对雾化制粉过程中的惰性气体回收净化；粉末收集筛分：粉末冷却后，经旋风分离器收集，利用振动筛在惰性气体保护下筛分所需粒度范围的活性合金粉末并包装。本发明的优点是：本发明制备的Nb‑Si基合金粉末杂质含量低，含氧量≤1000ppm，通过3D打印得到的成形件组织均匀、致密，尺寸精度高，力学性能优良。本发明采用了一种惰性气体回收净化系统，有效提高了气体回收率，回收气量在90~95%的范围内，使生产成本降低30%以上。

技术领域

本发明属于粉末冶金和增材制造技术领域，涉及一种合金粉末的制备方法及应用，尤其涉及一种低成本高纯净度球形Nb-Si基合金粉末的制备方法及应用。

背景技术

高温合金是航空、航天、核动力系统、民用燃气轮机等工业制造耐热部件的重要材料。目前应用的镍基高温合金所能承受的最高温度1039℃。随着工业建设和科学技术的飞速发展，迫切需要能在1093~1370℃温度范围内使用的金属材料。由于金属铌熔点高（2468℃），延性和导热性好，强度和比强度高，是最轻的难熔金属（密度为8.6），所以铌基合金最有希望作为21世纪的超高温结构材料替代镍基高温合金。但是，铌基合金在600℃以上的空气中会发生剧烈氧化，所以在1110~1500℃应用的铌基合金虽其强度较高，但氧化却很迅速，以至于在无保护的情况下不能在含氧环境中使用。到目前为止人们研究过的能有效提高铌基合金抗氧化性的途径是合金化，即在铌基合金中添加Ti、Al、Si等元素，使合金能在高温应用时自生氧化物保护膜，从而提高其抗氧化性。其中Nb-Al系和Nb-Si系为两个典型的代表。但由于Nb-Si系合金的高温强度比Nb-Al系更高，因而更具有发展潜力，Nb-Si超高温合金由于其热力学稳定性和形貌稳定性好，抗蠕变性能好，目前备受研究者关注，应用前景广阔。Nb-Si合金结构材料的熔点高于1750℃，其密度相对较低（仅为Ni基高温合金密度的80~90%）。因此，Nb-Si合金有望成为新一代航空发动机1200~1400℃，甚至更高温度使用的叶片材料。

Nb-Si合金的制备主要有电弧熔炼、熔模铸造、粉末冶金（PM）和定向凝固（DS）。由粉末冶金（PM）制造的粉末状硅化物，氧含量和其它杂质含量较高，不适合用作高温结构材料。定向凝固方法可以得到与弥散强化镍合金性能一样的铸锭，并且显微组织取向一定，该种材料可用于机翼构件的制备。考虑到经济成本，人们更愿意采用熔模铸造法制造Nb-Si基合金近净成形部件，但陶瓷基模壳系统的应用被熔融Nb-Si基合金的较高活性限制。目前，利用3D打印技术制备Nb-Si合金零件已引起了人们的广泛研究，不仅实现了制件的近净成形，而且与铸造Nb-Si合金相比，用此法制备的合金缺陷更少、组织更加均匀、性能更高。

用于3D打印技术的Nb-Si合金粉末具有不同于传统粉末冶金所需要的粉末特性，不仅要求传统粉末所须具备的高纯度、低氧含量，同时还要求粉末球形度高、粒度分布优化，并具有良好的流动性和松装密度。由于Nb-Si对杂质成分敏感，现有雾化方法制备的粉末往往存在杂质较多、球形度不高的现象，严重影响粉末的3D打印成形性能。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有Nb-Si雾化方法制备的粉末存在杂质较多、球形度不高的问题，提供一种低成本、高纯度、高球形度、低氧含量 Nb-Si基超高温合金粉末的制备方法及应用，制备的Nb-Si基合金成分均匀、组织细小、性能优异，满足航空航天领域的应用要求，适用于3D打印的技术增材制造。使用本发明方法制备的Nb-Si基合金粉末，在保证材料纯净、杂质含量极低的基础上，粉末的球形度更高，具有更良好的流动性，能够适用于不同形式的3D 打印技术，并且能减少制造成本。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种Nb-Si基合金粉末的制备方法，所述方法包括以下步骤：