[发明专利]镍-铬-铁-钴基变形高温合金丝材制备方法

说明书

本发明属于增材制造技术和变形高温合金丝材制造技术领域，涉及镍‑铬‑铁‑钴基变形高温合金丝材制备方法；包括合金纯净熔炼、铸锻均匀化热处理、锻造开坯、轧制成形、丝材冷拔、表面修磨抛光、退火、残余应力检测等工序。本发明制备的丝材表面光洁度高、残余应力小、夹杂物含量低，制造成本较低，满足了电弧微铸锻制造工艺的需求，具有明显的创新性和较好的市场应用前景。

技术领域

本发明属于增材制造技术和变形高温合金丝材制造技术领域，涉及镍-铬-铁-钴基变形高温合金丝材制备方法。

背景技术

增材制造(又称为3D打印)是融合计算机辅助设计与建模、材料加工与成形等技术，通过数控系统将专用的材料，按照烧结、熔融等方法逐层堆积，制备实体零部件的技术。近30年来国内外投入大量经费开展增材制造工艺及其制备材料的研究，取得了显著成效，制备的高温合金叶片、结构件等已经在发动机中处于考核验证阶段。与传统制造工艺相比，增材制造具有效率高、成本低等特点。增材制造有望为解决航空发动机构件制造难题提供短流程工艺途径。然而，传统增材制造属自由成形，制备的制件组织呈柱状晶特征，力学性能呈现各向异性，导致制件的使用可靠性和疲劳性能很难达到锻件的性能水平。现有激光增材制造与等离子或电弧增材制造工艺中，激光成形精度高，但是成形效率和运行成本难以满足大型金属构件高效制造的要求；等离子/电弧增材制造成形效率可达到激光成形的10倍以上，但是热输入大、成形精度低。目前，在航空发动机高温、高疲劳应力的极端环境中，面临如何解决高温合金结构件的形状复杂控性与质量稳定性的挑战。美国GE公司采用铺粉式激光束和电子束增材制造技术主要用于解决其航空发动机高温合金铸造零件增材制造的需求，但是以上两种工艺只适用于小型复杂高温合金零件的增材制造，对需要锻件性能的大中型承力构件目前还无法做到。相比而言，以高温合金丝材为材料的电弧微铸锻复合增材制造兼顾制件的组织性能、成形效率和精度，具有沉积效率高、沉积致密、成分均匀等优点，对低成本高效制造高性能大型金属构件具有重要意义。而能够顺利制备出高性能电弧微铸锻增材制造高温合金制件的关键之一是合适的变形高温合金丝材制备。

控制冶金缺陷是变形高温合金材料增材制造过程中的一项关键技术。普通的高温合金焊丝是把变形高温合金材料通过冷拔制备成丝材，然后通过不同的焊接方法把焊丝熔化后连接高温合金件。但是普通焊丝通常只是小面积范围的焊缝连接，而不是通过增材制造的方法制备出投影面积较大且技术难度更大的整体结构件。高温合金增材制造过程中遇到的主要问题就是萌生的裂纹和微裂纹，而尺寸较大的裂纹能通过肉眼观察，但是尺寸较小的微裂纹，只能借助金相检验才能发现，为材料性能检验带来一定困难。研究表明，高温合金中的微量元素(如碳、磷、硫、硼、硅、锰)对合金性能包括增材制造过程都有重要影响，较高含量的微量元素会增加增材制造过程中的裂纹敏感性。增材制造的高温合金制件的力学性能通常比同合金牌号的高温合金力学性能有所降低，主要原因一方面是凝固组织存在一定的元素偏析，另一方面是冶金缺陷比锻造工艺的高温合金制件多。此外，由于高温合金结构件多应用于航空发动机的重要部位，对材料的化学成分、力学性能、微观组织以及长期服役性能要求很高，普通的焊接丝材并不适用于增材制造，需要对合金的成分、丝材表面质量、尺寸误差范围、内部应力大小进行优化和调整，以满足增材制造用的变形高温合金丝材。

目前，在航空发动机中用量最大的GH4169合金(对应美国IN718牌号)，该合金使用温度不超过650℃。为了提高合金的使用温度，国内外开展了比GH4169合金使用温度更高，并且加工性能与其相当的新型合金材料的研制。在GH4169(IN718)合金成分基础上，通过将元素Fe含量由18％降到10％，新加入约9％的Co元素和1％的W元素，调整Al+Ti含量以及Al/Ti元素比，并适当提高Nb含量，成功研制出718Plus合金，该合金保留了IN718合金良好的使用性能、焊接性能以及适宜成本的同时，其最高使用温度提高了55℃。但是目前国内外没有把718Plus合金制备成增材制造用丝材的报到，更没有电弧微铸锻增材制造用718Plus丝材的先例。

发明内容