[发明专利]脉冲电流辅助烧结制备镍基高温合金坯料的装置及方法

说明书

本发明属于粉末冶金技术领域，公开了一种脉冲电流辅助烧结制备镍基高温合金坯料的装置及方法。本装置包括烧结模具、加压装置、脉冲电流发生系统、温控系统和真空系统；所述烧结模具包括绝缘模腔、两个圆柱活塞以及两个夹头；各圆柱活塞内端分别插入圆柱通腔两端且两个圆柱活塞之间形成用于容置镍基高温合金粉末的空间；两个夹头分别连接于两个圆柱活塞外端；所述加压装置分别与两个夹头连接；所述脉冲电流发生系统的正极和负极分别接入两个夹头；所述温控系统用于监测镍基高温合金粉末的烧结温度并反馈至脉冲电流发生系统。本发明能够有效控制晶粒长大、减少硬质第二相粒子和微观组织缺陷、以及快速制备机械性能优良的镍基高温合金坯料。

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，特别涉及一种镍基高温合金的制备装置与方法，尤其涉及一种脉冲电流辅助烧结制备镍基高温合金坯料的装置及方法。

背景技术

镍基高温合金是一种以镍、铬、铁为基体的合金，具有强度高、韧性好、强耐磨、耐腐蚀、抗氧化、热稳定性高等优点，广泛应用于航空航天、集成电路、核能等重要领域。

由于镍基高温合金的合金化程度高，铸锭偏析突出，加工性能差，因此不能用传统铸造+锻造工艺成型。利用粉末冶金法制备镍基高温合金，可防止材料宏观偏析，组织成分均匀，热加工性能好。目前的镍基高温合金粉末冶金工艺主要采用压铸成型粉末冶金法，该工艺烧结温度高(超过1200℃)，成型时间长(在2h以上)，导致材料内部晶粒快速长大，因此利用该方法制备的坯料用于航空发动机等极端服役工况时，由于微观组织粗大严重影响使役性能。此外，利用传统工艺成型的镍基高温合金材料内部经常会分布有局部硬质第二相粒子，且材料内部存在原始颗粒边界、孔洞、夹杂物等缺陷，使制件容易萌生裂纹并加速裂纹扩展，严重影响了镍基高温合金在高温、高压、磨损及腐蚀环境下的力学性能。中国专利CN 110666175 A通过热等静压成型方法，将热等静压温度设定为比γ’相熔化温度高10～30℃，热等静压压力在100MPa以上，保温时间在1小时以下，虽然解决了原始颗粒边界缺陷问题，但依然存在硬质第二相粒子。中国专利CN 105274373 A通过两步热等静压，强化了具有面心立方结构的γ”相，减少了制件缺陷，提升了力学性能，但由于保温时间在2h以上，晶粒粗大问题未得到根本解决，极端尺寸下的尺度效应依然严重。

电流在金属内部产生的定向运动漂移电子及其产生的多物理场效应，能够影响位错的产生和促进位错运动，从而降低材料的变形抗力，抑制裂纹孔洞产生，促进变形过程再结晶速度，起到抑制晶粒长大甚至细化晶粒的效果。对材料疲劳寿命、回复与再结晶、晶粒细化以及裂纹愈合等行为有明显促进作用，并能有效改善材料的组织性能，影响材料的制备、加工、成形和使用过程。中国专利CN 108411231 A利用脉冲电流对镍基高温合金进行短时时效处理，显著改善了合金的微观组织结构，有效减少了硬质第二相粒子，制件强度提高了20％以上，同时塑性提高25％以上。中国专利CN 111809128 A利用脉冲电流在定向流动的漂移电子作用下，快速溶解变形镍基高温合金铸锭中低熔点Laves相，同时避免Laves相初熔阻碍偏析元素原子扩散，能耗低，操作简单，为镍基高温合金的后续加工创造了有利条件。上述两个专利主要研究电流对已经成型的镍基高温合金的影响，但电流对于镍基高温合金材料制备的影响机制尚不清楚。

发明内容

针对上述问题，本发明将脉冲电流辅助与粉末冶金相结合，提出一种镍基高温合金坯料的制备装置及方法。本发明利用电场的焦耳热、电子风效应与高温合金粉末颗粒间接触表面积大的优点，增大了连接反应界面，有效控制了晶粒长大，减弱了尺度效应，改善了镍基高温合金微观组织，提高了制件的力学性能，简化了镍基高温合金坯料的成型过程，是一种操作简单、经济高效、能够减少或避免镍基高温合金原始坯料的内部缺陷引起的力学性能损失问题的高性能镍基高温合金坯料制备技术。

为实现上述目的，本发明提供了一种脉冲电流辅助烧结制备镍基高温合金坯料的装置，包括烧结模具、加压装置、脉冲电流发生系统、温控系统和真空系统；