一种粗化沉淀强化镍基高温合金晶粒的激光粉床熔融成形方法

摘要

本发明提供一种粗化沉淀强化镍基高温合金晶粒的激光粉床熔融成形方法，所述方法通过在连续激光粉床熔融成形前，向沉淀强化镍基高温合金粉末中掺入稀土元素氧化物颗粒，稀土元素氧化物颗粒与沉淀强化镍基高温合金粉末在连续激光作用下相互作用，从而达到了晶粒粗化的效果，通过粗化晶粒，减少高温下脆弱的晶界的数量，显著提高了沉淀强化镍基高温合金的高温力学性能。

说明书

技术领域

本发明涉及材料制备技术领域，尤其涉及一种粗化沉淀强化镍基高温合金晶粒的激光粉床熔融成形方法。

背景技术

在成形过程中，计算机系统控制激光高能束流选择性地熔化金属粉末，通过逐层堆积的方法实现复杂零部件的快速成形，具有节约材料，尺寸精度高等优点，目前已满足了部分金属结构材料(如镍基高温合金，铝合金，钛合金，不锈钢等)的成形要求。

在激光粉床熔融成形过程中产生的高温(2000℃以上)、微熔池(30-120μm)、超快速冷却凝固条件(凝固速率达5m/s)下，激光粉床熔融成形中的材料具有相对细化的晶粒组织。对于在常温下使用的金属结构材料，细化晶粒增加晶界可以强化材料的性能。

然而，对于服役温度在高温的高温合金而言，晶界反而成为材料强度的薄弱部分，因此，对于广泛应用在航空航天、能源工业等领域且能在更高温度工作的沉淀强化铸造高温合金复杂精密构件制造方面，运用此方法成形出来的部件，难以满足使用上的要求。

CN111500898A公开了一种镍基高温合金及其制造方法、部件和应用，具体为：镍基高温合金采用如下原料经3D打印制备得到；原料包括(质量百分比)：C小于等于0.3％，Co小于5％，W 13～15％，Cr 20～24％，Mo 1～3％，Al 0.2～0.5％，Ti小于0.1％，Fe小于3％，B小于0.015％，La 0.001～0.004％，Mn 0.01～0.2％，Si 0.02～0.2％，以及余量的Ni；组织中平均碳化物尺寸150～200nm，碳化物尺寸分布50nm～4μm，该合金表面及内部无裂纹，高温强度高，通过对镍基高温合金粉末组成的调整，不具有普遍适用性。

因此，需要开发一种具有普遍适用性的能够在高温服役的高温合金的制备方法。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种粗化沉淀强化镍基高温合金晶粒的激光粉床熔融成形方法，所述方法通过稀土元素氧化物颗粒和沉淀强化镍基高温合金粉末相互作用，能够实现晶粒粗化的效果，进一步显著提高了沉淀强化镍基高温合金的高温力学性能。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种粗化沉淀强化镍基高温合金晶粒的激光粉床熔融成形方法，所述方法包括：混合稀土元素氧化物颗粒和沉淀强化镍基高温合金粉末后，利用连续激光进行激光粉床熔融成形，得到成形件。

本发明使晶粒粗化的的目的在于提供一种耐高温的成形件制备方法，所述方法中稀土元素氧化物颗粒与沉淀强化镍基高温合金粉末在连续激光作用下相互作用，其中，稀土元素氧化物颗粒与沉淀强化镍基高温合金粉末中的铝等元素，形成具有较低高温导热系数的阻热材料，从而能够降低快速凝固过程中的扩散系数，在基体中形成局部的热岛，降低了凝固熔体中的冷却速率，最终达到了使晶粒粗化的效果；所述晶粒粗化后能够减少高温下脆弱晶界的数量，提高成形件的高温环境下的力学性能。

本发明所述沉淀强化镍基高温合金是指由镍为主要基体元素且通过在过饱和固溶体中溶质原子偏聚区和/或由饱和固溶体脱溶出的微粒弥散分布于基体中而产生强化作用的合金。

所述高温是指≥600℃，例如可以是600℃、620℃、630℃、650℃、680℃、700℃、720℃、750℃或800℃等。

优选地，所述沉淀强化镍基高温合金粉末的粒度D50为20～35μm，例如可以是20μm、22μm、24μm、25μm、27μm、29μm、30μm、32μm、34μm或35μm等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述沉淀强化镍基高温合金粉末的粒度范围为15～53μm，例如可以是15μm、20μm、24μm、28μm、32μm、37μm、41μm、45μm、49μm或53μm等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述沉淀强化镍基高温合金为IN738LC沉淀强化镍基高温合金。

本发明选用IN738LC沉淀强化镍基高温合金，这种合金应用于3D打印时由于需要快冷和快热，而IN738LC晶粒较细，在快冷和快热过程中，晶界较多，而晶界是材料强度的薄弱部分，而本申请通过使晶粒粗化，减少了薄弱部分，提高了力学性能。

优选地，所述IN738LC沉淀强化高温合金按质量分数包括如下组成C：0.10～0.20％，Cr：15.7～16.3％，Co：8.0～9.0％，W：2.4～2.8％，Mo：1.5～2.0％，Al：3.2～3.7％，Ti：3.0～3.5％，Fe：≤0.5％，Nb：0.6～1.1％，Ta：1.5～2.0％，B：0.005～0.015％，Zr：0.05～0.15％，杂质元素：≤0.55％，其余为镍。

本发明的IN738LC沉淀强化高温合金中C含量为0.10～0.20％，例如可以是0.10％、0.12％、0.13％、0.14％、0.15％、0.16％、0.17％、0.18％、0.19％或0.20％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

Cr含量为15.7～16.3％，例如可以是15.7％、15.8％、15.9％、16％、16.1％、16.2％或16.3％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

Co含量为8.0～9.0％，例如可以是8.0％、8.2％、8.3％、8.4％、8.5％、8.6％、8.7％、8.8％、8.9％或9.0％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

W含量为2.4～2.8％，例如可以是2.4％、2.45％、2.49％、2.54％、2.58％、2.63％、2.67％、2.72％、2.76％或2.8％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

Mo含量为1.5～2.0％，例如可以是1.5％、1.56％、1.62％、1.67％、1.73％、1.78％、1.84％、1.89％、1.95％或2.0％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

Al含量为3.2～3.7％，例如可以是3.2％、3.26％、3.32％、3.37％、3.43％、3.48％、3.54％、3.59％、3.65％或3.7％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

Ti含量为3.0～3.5％，例如可以是3.0％、3.06％、3.12％、3.17％、3.23％、3.28％、3.34％、3.39％、3.45％或3.5％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

Fe含量≤0.5％，例如可以是0.1％、0.15％、0.19％、0.24％、0.28％、0.33％、0.37％、0.42％、0.46％或0.5％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

Nb含量为0.6～1.1％，例如可以是0.6％、0.66％、0.72％、0.77％、0.83％、0.88％、0.94％、0.99％、1.05％或1.1％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

Ta含量为1.5～2.0％，例如可以是1.5％、1.56％、1.62％、1.67％、1.73％、1.78％、1.84％、1.89％、1.95％或2.0％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

B含量为0.005～0.015％，例如可以是0.005％、0.007％、0.008％、0.009％、0.01％、0.011％、0.012％、0.013％、0.014％或0.015％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

Zr含量为0.05～0.15％，例如可以是0.05％、0.07％、0.08％、0.09％、0.1％、0.11％、0.12％、0.13％、0.14％或0.15％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

杂质元素含量为≤0.55％，例如可以是0.1％、0.15％、0.2％、0.25％、0.3％、0.35％、0.4％、0.45％、0.5％或0.55％等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述沉淀强化镍基高温合金粉末和稀土元素氧化物颗粒的质量比为50～5000:1，例如可以是50:1、600:1、1000:1、1150:1、1700:1、2250:1、2800:1、3000:1、3350:1、3900:1、4450:1或5000:1等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用，优选为1000～3000:1。

本发明通过将沉淀强化镍基高温合金粉末和稀土元素氧化物颗粒的质量比控制在50～5000:1范围内，更有利于沉淀强化镍基高温合金粉末与稀土元素氧化物颗粒的相互作用，尤其在比例为1000～3000:1范围内时，沉淀强化镍基高温合金粉末中的铝元素能够更充分的与稀土元素氧化物颗粒反应形成阻热材料，更进一步提高了晶粒粗化的效果。

优选地，所述稀土元素氧化物颗粒为三氧化二钇颗粒。

本发明所述三氧化二钇颗粒在连续激光的作用下与沉淀强化镍基高温合金粉末相互作用，生成均匀分散在基体中的Y

优选地，所述稀土元素氧化物颗粒的粒度为40～200nm，例如可以是40nm、58nm、60nm、76nm、94nm、112nm、129nm、147nm、150nm、165nm、183nm或200nm等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用，优选为60～150nm。

本发明所述稀土元素氧化物颗粒的粒度在上述优选范围60～150nm内时，一方面更有利于稀土元素氧化物颗粒的分散，另一方面更有利于与镍基高温合金粉末粒径进行合理配比，使得混粉过程更加均匀充分。

优选地，所述连续激光的光束直径为50～130μm，例如可以是50μm、59μm、68μm、77μm、86μm、95μm、104μm、113μm、122μm或130μm等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述连续激光的功率为200～350W，例如可以是200W、217W、234W、250W、267W、284W、300W、317W、334W或350W等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述连续激光的扫描速度为800～2000mm/s，例如可以是800mm/s、934mm/s、1067mm/s、1200mm/s、1334mm/s、1467mm/s、1600mm/s、1734mm/s、1867mm/s或2000mm/s等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述连续激光的扫描间距为60～120μm，例如可以是60μm、67μm、74μm、80μm、87μm、94μm、100μm、107μm、114μm或120μm等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述激光粉床熔融成形的装置为激光粉床熔融设备。

优选地，先将混合后的稀土元素氧化物颗粒和沉淀强化镍基高温合金粉末置于激光粉床熔融设备的成形腔中形成粉末层，再进行激光粉床熔融成形。

优选地，所述粉末层的厚度为30～50μm，例如可以是30μm、33μm、35μm、37μm、39μm、42μm、44μm、46μm、48μm或50μm等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，在形成粉末层之前，将所述激光粉床熔融设备的成形腔抽真空。

优选地，所述抽真空后的真空度为3～10Pa，例如可以是3Pa、3.8Pa、4.6Pa、5.4Pa、6.2Pa、6.9Pa、7.7Pa、8.5Pa、9.3Pa或10Pa等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述粉末层在激光粉床熔融成形前进行预热。

优选地，所述预热的温度≥100℃，例如可以是100℃、123℃、145℃、167℃、189℃、212℃、234℃、256℃、278℃或300℃等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述激光粉床熔融成形在保护气氛中进行。

优选地，所述保护气氛包括氩气和/或氦气。

优选地，所述激光粉床熔融成形后的成形件经冷却，得到沉淀强化镍基高温合金零件。

优选地，所述冷却包括自然冷却。

作为本发明优选地技术方案，所述方法包括如下步骤：

(1)将激光粉床熔融设备的成形腔内抽真空至3～10Pa之后，充入保护气氛；

(2)将粒度范围为15～53μm且粒度D50为20～35μm的沉淀强化镍基高温合金粉末与粒度为40～200nm的三氧化二钇颗粒按照质量比50～5000:1混合后，在保护气氛下置于所述激光粉床熔融设备的成形腔中形成30～50μm粉末层，所述粉末层预热至温度≥100℃；

(3)所述粉末层在光束直径为50～130μm、功率为200～350W、扫描速度为800～2000mm/s和扫描间距为60～120μm的连续激光下激光粉床熔融成形，成形件经自然冷却后，得到沉淀强化镍基高温合金零件。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

(1)本发明提供的粗化沉淀强化镍基高温合金晶粒的激光粉床熔融成形方法通过加入稀土元素氧化物颗粒，能够显著粗化晶粒，使沉淀强化镍基高温合金晶粒尺寸提升至≥55μm，较优条件下≥80μm，；

(2)本发明提供的粗化沉淀强化镍基高温合金晶粒的激光粉床熔融成形方法能够针对多数沉淀强化镍基高温合金，通用性较高，可重复性强；

(3)本发明提供的粗化沉淀强化镍基高温合金晶粒的激光粉床熔融成形方法制得的成形件的高温抗拉强度提升至720MPa以上，较优条件下成形件的高温抗拉强度提升至750MPa以上，且高温屈服强度可达632.88MPa，机械性能得到显著提升。

附图说明

图1是本发明实施例1和对比例1制得的沉淀强化镍基高温合金零件的电子背散射衍射图。

图2是本发明实施例1和对比例1制得的沉淀强化镍基高温合金零件拉伸拉伸试验的拉伸曲线。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

一、实施例

实施例1

本实施例提供一种粗化沉淀强化镍基高温合金晶粒的激光粉床熔融成形方法，所述方法包括如下步骤：

(1)将激光粉床熔融设备的成形腔内抽真空至5Pa之后，充入纯度为99.99wt％的氩气；

(2)将粒度范围为15～53μm且粒度D50为30.1μm的IN738LC沉淀强化镍基高温合金粉末与粒度为80～130nm的三氧化二钇颗粒按照质量比2000:1混合后，在氩气气氛下置于所述激光粉床熔融设备的成形腔中形成30μm粉末层，所述粉末层预热至温度200℃；

(3)所述粉末层在光束直径为80μm、功率为290W、扫描速度为1200mm/s和扫描间距为90μm的连续激光下激光粉床熔融成形，成形件经自然冷却后，得到沉淀强化镍基高温合金零件。

材料为IN738LC的沉淀强化高温化合金粉末按质量分数包括如下组成C：0.12％，Cr：15.82％，Co：8.32％，W：2.58％，Mo：1.82％，Al：3.50％，Ti：3.48％，Nb：0.88％，Ta：1.78％，B：0.01％，Zr：0.06％，杂质元素：≤0.55％，其余为镍。

实施例2

本实施例提供一种粗化沉淀强化镍基高温合金晶粒的激光粉床熔融成形方法，所述方法包括如下步骤：

(1)将激光粉床熔融设备的成形腔内抽真空至4Pa之后，充入纯度为99.99wt％的氩气；

(2)将粒度范围为15～50μm且粒度D50为21.3μm的IN738LC沉淀强化镍基高温合金粉末与粒度为40～100nm的三氧化二钇颗粒按照质量比50:1混合后，在氩气气氛下置于所述激光粉床熔融设备的成形腔中形成50μm粉末层，所述粉末层预热至温度100℃；

(3)所述粉末层在光束直径为85μm、功率为350W、扫描速度为2000mm/s和扫描间距为120μm的连续激光下激光粉床熔融成形，成形件经自然冷却后，得到沉淀强化镍基高温合金零件。

材料为IN738LC的沉淀强化高温化合金粉末按质量分数包括如下组成C：0.12％，Cr：15.82％，Co：8.32％，W：2.58％，Mo：1.82％，Al：3.50％，Ti：3.48％，Nb：0.88％，Ta：1.78％，B：0.01％，Zr：0.06％，杂质元素：≤0.55％，其余为镍。

实施例3

本实施例提供一种粗化沉淀强化镍基高温合金晶粒的激光粉床熔融成形方法，所述方法包括如下步骤：

(1)将激光粉床熔融设备的成形腔内抽真空至6Pa之后，充入纯度为99.99wt％的氦气；

(2)将粒度范围为20～45μm且粒度D50为33.2μm的IN738LC沉淀强化镍基高温合金粉末与粒度为120～200nm的三氧化二钇颗粒按照质量比4500:1混合后，在氦气气氛下置于所述激光粉床熔融设备的成形腔中形成45μm粉末层，所述粉末层预热至温度170℃；

(3)所述粉末层在光束直径为80μm、功率为200W、扫描速度为800mm/s和扫描间距为60μm的连续激光下激光粉床熔融成形，成形件经自然冷却后，得到沉淀强化镍基高温合金零件。

材料为IN738LC的沉淀强化高温化合金粉末按质量分数包括如下组成C：0.12％，Cr：15.82％，Co：8.32％，W：2.58％，Mo：1.82％，Al：3.50％，Ti：3.48％，Nb：0.88％，Ta：1.78％，B：0.01％，Zr：0.06％，杂质元素：≤0.55％，其余为镍。

实施例4

本实施例提供一种粗化沉淀强化镍基高温合金晶粒的激光粉床熔融成形方法，所述方法除将步骤(2)中的“质量比2000:1”替换为“质量比4000:1”外，其余均与实施例1相同。

实施例5

本实施例提供一种粗化沉淀强化镍基高温合金晶粒的激光粉床熔融成形方法，所述方法除将步骤(2)中的“质量比2000:1”替换为“质量比800:1”外，其余均与实施例1相同。

实施例6

本实施例提供一种粗化沉淀强化镍基高温合金晶粒的激光粉床熔融成形方法，所述方法除将步骤(2)中的“粒度为80～130nm的三氧化二钇颗粒”替换为“粒度为20～50nm的三氧化二钇颗粒”外，其余均与实施例1相同。

实施例7

本实施例提供一种粗化沉淀强化镍基高温合金晶粒的激光粉床熔融成形方法，所述方法除将步骤(2)中的“粒度为80～130nm的三氧化二钇颗粒”替换为“粒度为160～200nm的三氧化二钇颗粒”外，其余均与实施例1相同。

二、对比例

对比例1

本对比例提供一种粗化沉淀强化镍基高温合金晶粒的激光粉床熔融成形方法，所述方法除步骤(2)中不加入三氧化二钇颗粒外，其余均与实施例1相同。

三、测试及结果

测试方法：将上述打印好的零件实行标准热处理制度，即1120℃固溶处理2h接空冷，加850℃时效处理24h接空冷，对沉淀强化镍基高温合金零件进行测试。以实施例1和对比例1为例，对其制备得到的沉淀强化镍基高温合金零件，进行机械磨抛后，放到BuehlerVibroMet震动抛光机上进行长达2h的振动抛光，利用ZEISS Merlin扫描电子显微镜配备的EDAS Digiview4电子背散射探头进行图谱测试，电压为20kV，电流为5nA，结果如图1所示。

图1中(a)表示对比例1制得的沉淀强化镍基高温合金零件，图1中(b)表示实施例1制得的沉淀强化镍基高温合金零件，从图1以及计算可以看出，实施例1所述方法制备得到的沉淀强化镍基高温合金零件的晶粒尺寸由使用对比例1的54.28μm的达到96.34μm。

以实施例1和对比例1为例，对其制备得到的沉淀强化镍基高温合金零件，进行850℃的高温拉伸测试，温度为850℃，应变速率为0.01mm/mm/min，设备为ZJSY RDL100测试机，结果如图2所示。

从图2以及计算可以看出，实施例1所述方法制备得到的沉淀强化镍基高温合金零件的高温抗拉强度由对比例1中的713.66MPa提升至773.21MPa，高温屈服强度由对比例1中的614.72MPa提升至632.88MPa。

将二者的测试结果比较和计算后发现，采用本发明所述方法制备得到的成形件相比于连续激光的成形件，无裂纹缺陷。

以上实施例和对比例的测试结果如表1所示。

表1

从表1可以看出以下几点：

(1)综合实施例1～7可以看出，本发明提供的沉淀强化镍基高温合金晶粒的激光粉床熔融成形方法制得的沉淀强化镍基高温合金零件具有较高的高温抗拉强度和晶粒尺寸，其中高温抗拉强度≥720MPa，较优条件下≥750MPa，晶粒尺寸≥55μm，较优条件下≥80μm，减少高温下脆弱的晶界的数量，显著提高了沉淀强化镍基高温合金的高温力学性能；

(2)综合实施例1、实施例4～5以及对比例1可以看出，实施例1中沉淀强化镍基高温合金粉末与三氧化二钇颗粒按照质量比2000:1，相较于实施例4～5中质量比分别为4000:1和800:1，对比例1中不加入三氧化二钇颗粒而言，实施例1中高温抗拉强度为773.21MPa，晶粒尺寸为96.34μm，而实施例4～5中高温抗拉强度分别为721.46MPa和732.65MPa，晶粒尺寸分别为59.69μm和64.16μm，对比例1中高温抗拉强度仅为713.66MPa，晶粒尺寸仅为54.28μm，由此表明，本发明通过添加三氧化二钇颗粒，大大提高了沉淀强化镍基高温合金的拉伸强度和晶粒尺寸，并通过选定三氧化二钇颗粒的配比，更进一步提高了沉淀强化镍基高温合金的拉伸强度和晶粒尺寸；

(3)综合实施例1以及实施例6～7可以看出，实施例1中三氧化二钇颗粒的粒度为80～130nm，相较于实施例6～7中三氧化二钇颗粒的粒度分别为20～50nm和160～200nm而言，实施例1中高温抗拉强度为773.21MPa，晶粒尺寸为96.34μm，而实施例6和实施例7中高温抗拉强度分别为751.32MPa和745.68MPa，晶粒尺寸分别为78.42μm和69.86μm，由此表明，本发明通过将三氧化二钇颗粒的粒度控制在特定范围内，更好地提高了沉淀强化镍基高温合金的拉伸强度和晶粒尺寸。

综上所述，本发明提供的粗化沉淀强化镍基高温合金晶粒的激光粉床熔融成形方法，通过在连续激光进行激光粉床熔融成形前，向沉淀强化镍基高温合金粉末中掺入稀土元素氧化物颗粒，达到了晶粒粗化的效果，晶粒尺寸≥55μm，较优条件下≥80μm，减少高温下脆弱的晶界的数量，其高温抗拉强度≥720MPa，较优条件下≥750MPa，显著提高了沉淀强化镍基高温合金的高温力学性能。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。