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。
技术实现要素：
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；
(4)将得到的叶片毛坯通过区域熔炼完成合金化处理并定向凝固实现再结晶，利用超细单晶镍粉在居里温度以上具有超顺磁性的特点，在熔炼区域前施加电磁场，迫使还未融化的单晶或多晶镍粉颗粒的微小磁畴磁矩按单晶叶片的生长方向定向排列，同时在熔炼区域后也施加电磁场，约束和诱导未凝固的、处于高温再结晶过程的叶片大单晶磁畴磁矩按单晶叶片的生长方向定向排列生长，慢慢凝固结晶形成所有的原子排列一摸一样的单晶体，从而制作得到有石墨烯、碳纳米管或碳纤维增强的镍基复合材料单晶叶片。
作为优选的实施方式，步骤(1)中超细单晶或多晶镍粉颗粒为球形或类球形晶体，粒径为微米、亚微米或纳米粒子，加入量大于50wt％，粒径为20nm～1mm；更加优选地，超细单晶或多晶镍粉颗粒的粒径范围1～10μm，加入量50～100wt％，再更加优选地，加入量为65～85wt％。
作为优选的实施方式，步骤(1)中其它超细金属粉末包括钨、钼、铬、钴、铼、钌、铝或钽中的一种或几种，粉末为微米、亚微米或纳米粒子，形貌为球形或类球形，可以是晶体，也可以是非晶体。
作为优选的实施方式，步骤(2)中所述的增强材料的加入量为0.01～10wt％，优选加入量为0.1～1wt％。
作为优选的实施方式，所加入的增强材料需要具有良好的粉体分散性，电导率高，导热性好，杂质元素少等特性。所添加的石墨烯为单层或少层，片层少于10层，含碳量大于99％，比表面积大于80m2/g，电导率大于1000s/m。所添加的碳纳米管为单壁或双壁碳纳米管，直径小于4μm，长度小于30μm，纯度大于95％，比表面积大于400m2/g，电导率大于150s/m。所添加的碳纤维为高导热的碳纤维粉，直径小于50μm，长度小于500μm，含碳量大于99％，比表面积大于0.4m2/g，电导率大于1000s/m，导热系数大于400w/mk。采用干法球磨或湿法球磨进行混合。
作为更加优选的实施方式，增强材料优选为石墨烯。所添加的石墨烯为单层或少层，片层少于10层，含碳量大于99％，比表面积大于80m2/g，电导率大于1000s/m。
作为优选的实施方式，步骤(4)熔炼区域的熔炼温度控制在1000～1600℃，温度梯度>50k/cm，牵引速度0.5-150mm/min，可以采用空气、水或液态金属冷却；在未熔化的熔炼区域前施加前处理外部电磁场，该外部电磁场磁矩方向与叶片曲面轴向的夹角始终控制在小于10度的范围内；在未凝固的熔炼区域后施加后处理外部电磁场，该外部电磁场磁矩方向与叶片曲面轴向的夹角始终控制在小于10度的范围内。
作为更加优选的实施方式，在未熔化的熔炼区域前施加前处理外部电磁场的磁感应强度在0.1～100特斯拉，外部磁场方向与叶片的轴向控制在0～5°。在未凝固的熔炼区域后施加后处理外部电磁场的磁感应强度在0.1～100特斯拉，外部磁场方向与叶片的轴向控制在0～5°。
制作得到的复合材料单晶叶片为实心叶片或空心叶片，从材质上看可以为单晶叶片、柱状晶叶片、等轴晶叶片或细晶化的定向凝固叶片。
除了叶片之外，通过上述方法还可以制作得到复合材料机匣和涡轮盘。
与现有技术相比，本发明在材料中引入石墨烯等作为增强材料，以超细单晶或多晶镍粉为主要原材料，同时在工艺过程中引入外部电磁场双诱导约束定向再结晶，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，可获得如下有益效果：
(1)原料中添加石墨烯，可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、尤其是提高高温疲劳寿命以及提高涡轮叶片的工作温度。
(2)原料使用超细金属粉末，可降低烧结、结晶温度，使晶粒更加细化；
(3)由于使用超细金属粉末，烧结驱动力更强，合金元素扩散更为容易，扩散距离短，更容易合金化，同时可减少宏观偏析；
(4)使用超细镍粉，在镍居里点357.6℃以上，超细镍粉具有超顺磁性，在融化前的外加约束磁场调控下，可以容易调整、约束和控制单晶磁畴的排列方向，约束粉体颗粒融化、烧结。
(5)由于烧结没有破坏单晶镍粉的磁畴结构，在再结晶过程中，可以容易使单晶颗粒磁畴定向排列，完成再结晶过程。
(6)粉末合金化，通过改变配方，容易调整和控制单晶合金成分和比例；
(7)利用电磁场约束融化、约束诱导凝固再结晶；
(8)烧结过程实质是合金化、再结晶过程，烧结温度可以低于镍熔点1453℃，无需粉末全部融化，表面融化完成烧结，消除单晶颗粒晶界，完成合金化，最后形成大的合金单晶过程。
(9)旋转磁场双约束，可控制单晶粉末磁畴、原子磁矩方向排列一致，可确保结晶方向与叶片曲面轴向始终控制在<5°，因而提高单晶质量和成品率；
(10)无膜壳、型心，减少模壳成分污染、变形影响、降低成本；
(11)3d打印或模压预成型，可精确控制叶片尺寸和形状，容易制备空心叶片毛坯；
(12)粉末合金化与烧结、结晶一次完成；
(13)区域烧结，可建立更大的温度梯度，容易控制纵向热流方向和横向温度分布，快速烧结和凝固，不需要真空烧结炉；
(14)没有引晶、选晶、过渡段废料。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
应用2微米的球形超细单晶镍粉，添加0.3wt％的石墨烯粉体，所加入的石墨烯为单层，含碳量大于99％，比表面积大于80m2/g，电导率大于1000s/m，同时根据材料配方，按比例添加小于5微米的钨、钼、铬、钴、铼、钌、铝、钽等球形超细金属粉末，在乙醇溶剂中球磨混合均匀，利用3d打印工艺形成叶片毛坯，然后对毛坯件进行区域熔炼合金化，同时在熔炼区域形成大的温度梯度进行定向凝固，在靠近熔炼区域的前和后施加外部电磁场，迫使无序的微小镍粉单晶磁畴定向排列，约束诱导镍基合金单晶的定向生长，同时旋转调整外加磁场的方向，约束超细单晶镍粉的微小磁畴磁矩定向排列方向始终与涡轮叶片的轴向保持在小于5度的夹角。制得的石墨烯增强复合材料单晶叶片的力学性能好、高温疲劳寿命长、工作温度高等优点。
实施例2
应用2微米的球形超细多晶镍粉，添加0.3wt％的碳纳米管粉体，所添加的碳纳米管为单壁碳纳米管，直径小于4μm，长度小于30μm，纯度大于95％，比表面积大于400m2/g，电导率大于150s/m，同时根据材料配方，按比例添加小于5微米的钨、钼、铬、钴、铼、钌、铝、钽等球形超细金属粉末，在乙醇溶剂中球磨混合均匀，利用粉体模压工艺形成叶片毛坯，然后对毛坯件进行区域熔炼合金化，同时在熔炼区域形成大的温度梯度进行定向凝固，在靠近熔炼区域的前和后施加外部电磁场，迫使无序的微小镍粉单晶磁畴定向排列，约束诱导镍基合金单晶的定向生长，同时旋转调整外加磁场的方向，约束超细单晶镍粉的微小磁畴磁矩定向排列方向始终与涡轮叶片的轴向保持在小于5度的夹角。制得的石墨烯增强复合材料单晶叶片的力学性能好、高温疲劳寿命长、工作温度高等优点。
实施例3
应用2微米的球形超细多晶镍粉，添加0.3wt％的碳纤维粉体，所添加的碳纤维为高导热的碳纤维粉，直径小于50μm，长度小于500μm，含碳量大于99％，比表面积大于0.4m2/g，电导率大于1000s/m，导热系数大于400w/mk，同时根据材料配方，按比例添加小于5微米的钨、钼、铬、钴、铼、钌、铝、钽等球形超细金属粉末，在乙醇溶剂中球磨混合均匀，利用粉体模压工艺形成叶片毛坯，然后对毛坯件进行区域熔炼合金化，同时在熔炼区域形成大的温度梯度进行定向凝固，在靠近熔炼区域的前和后施加外部电磁场，迫使无序的微小镍粉单晶磁畴定向排列，约束诱导镍基合金单晶的定向生长，同时旋转调整外加磁场的方向，约束超细单晶镍粉的微小磁畴磁矩定向排列方向始终与涡轮叶片的轴向保持在小于5度的夹角。制得的石墨烯增强复合材料单晶叶片的力学性能好、高温疲劳寿命长、工作温度高等优点。
实施例4
应用500纳米的球形超细单晶镍粉，添加0.3wt％的石墨烯粉体，所添加的石墨烯为5层，含碳量大于99％，比表面积大于80m2/g，电导率大于1000s/m，同时根据材料配方，按比例添加小于5微米的钨、钼、铬、钴、铼、钌、铝、钽等球形超细金属粉末，在乙醇溶剂中球磨混合均匀，利用3d打印工艺形成叶片毛坯，然后对毛坯件进行区域熔炼合金化，同时在熔炼区域形成大的温度梯度进行定向凝固，在靠近熔炼区域的前和后施加外部电磁场，迫使无序的微小镍粉单晶磁畴定向排列，约束诱导镍基合金单晶的定向生长，同时旋转调整外加磁场的方向，约束超细单晶镍粉的微小磁畴磁矩定向排列方向始终与涡轮叶片的轴向保持在小于5度的夹角。制得的石墨烯增强复合材料单晶叶片的力学性能好、高温疲劳寿命长、工作温度高等优点。
实施例5
应用50纳米的球形超细单晶镍粉，添加0.3wt％的石墨烯粉体，所添加的石墨烯为8层，含碳量大于99％，比表面积大于80m2/g，电导率大于1000s/m，同时根据材料配方，按比例添加小于5微米的钨、钼、铬、钴、铼、钌、铝、钽等球形超细金属粉末，在乙醇溶剂中球磨混合均匀，利用3d打印工艺形成叶片毛坯，然后对毛坯件进行区域熔炼合金化，同时在熔炼区域形成大的温度梯度进行定向凝固，在靠近熔炼区域的前和后施加外部电磁场，迫使无序的微小镍粉单晶磁畴定向排列，约束诱导镍基合金单晶的定向生长，同时旋转调整外加磁场的方向，约束超细单晶镍粉的微小磁畴磁矩定向排列方向始终与涡轮叶片的轴向保持在小于5度的夹角。制得的石墨烯增强复合材料单晶叶片的力学性能好、高温疲劳寿命长、工作温度高等优点。
实施例6
应用2微米的球形超细单晶镍粉，添加0.1wt％的石墨烯粉体，所添加的石墨烯为2层，含碳量大于99％，比表面积大于80m2/g，电导率大于1000s/m，同时根据材料配方，按比例添加小于5微米的钨、钼、铬、钴、铼、钌、铝、钽等球形超细金属粉末，在乙醇溶剂中球磨混合均匀，利用3d打印工艺形成叶片毛坯，然后对毛坯件进行区域熔炼合金化，同时在熔炼区域形成大的温度梯度进行定向凝固，在靠近熔炼区域的前和后施加外部电磁场，迫使无序的微小镍粉单晶磁畴定向排列，约束诱导镍基合金单晶的定向生长，同时旋转调整外加磁场的方向，约束超细单晶镍粉的微小磁畴磁矩定向排列方向始终与涡轮叶片的轴向保持在小于5度的夹角。制得的石墨烯增强复合材料单晶叶片的力学性能好、高温疲劳寿命长、工作温度高等优点。
实施例7
应用2微米的球形超细单晶镍粉，添加1wt％的石墨烯粉体，所添加的石墨烯为5层，含碳量大于99％，比表面积大于80m2/g，电导率大于1000s/m，同时根据材料配方，按比例添加小于5微米的钨、钼、铬、钴、铼、钌、铝、钽等球形超细金属粉末，在乙醇溶剂中球磨混合均匀，利用3d打印工艺形成叶片毛坯，然后对毛坯件进行区域熔炼合金化，同时在熔炼区域形成大的温度梯度进行定向凝固，在靠近熔炼区域的前和后施加外部电磁场，迫使无序的微小镍粉单晶磁畴定向排列，约束诱导镍基合金单晶的定向生长，同时旋转调整外加磁场的方向，约束超细单晶镍粉的微小磁畴磁矩定向排列方向始终与涡轮叶片的轴向保持在小于5度的夹角。制得的石墨烯增强复合材料单晶叶片的力学性能好、高温疲劳寿命长、工作温度高等优点。
实施例8
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，采用以下步骤：
(1)以超细单晶镍粉颗粒为主要原材料，本实施例中采用的超细单晶镍粉颗粒为球形，粒径为20nm，加入量为50wt％，根据高温合金材料配方要求还可以加入其它超细金属粉末，本实施例中加入的超细金属粉末为钨、钼，粉末为纳米粒子，形貌为球形晶体，再进行干法球磨混合；
(2)添加碳纳米管作为增强材料，所添加的碳纳米管为双壁碳纳米管，直径小于4μm，长度小于30μm，纯度大于95％，比表面积大于400m2/g，电导率大于150s/m，加入量为上述材料的0.01wt％，然后采用干法球磨混合均匀；
(3)将混合均匀的超细金属粉末通过模具模压成叶片毛坯；
(4)将得到的叶片毛坯通过熔炼区域完成合金化处理并定向凝固实现再结晶，熔炼区域的熔炼温度控制在1100℃，温度梯度>50k/cm，牵引速度0.5mm/min，定向凝固时采用空气进行冷却处理。在熔炼区域的前后均施加磁场，迫使还未融化的单晶或多晶镍粉颗粒的微小磁畴按单晶叶片的生长方向定向排列及约束和诱导处于高温再结晶过程的单晶磁矩按单晶叶片的生长方向定向排列，其中，在熔炼区域前施加前处理外部电磁场的磁感应强度为0.1特斯拉，磁矩方向与叶片曲面轴向的夹角始终控制在小于10度的范围内，在熔炼区域后施加后处理外部电磁场，该外部电磁场的磁感应强度为0.1特斯拉，磁矩方向与叶片曲面轴向的夹角始终控制在小于10度的范围内，制作得到单晶叶片，其结构为实心。
实施例9
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，采用以下步骤：
(1)以超细单晶镍粉颗粒为主要原材料，本实施例中采用的超细单晶镍粉颗粒为类球形，粒径为1μm，加入量为65wt％，根据高温合金材料配方要求还可以加入其它超细金属粉末，本实施例中加入的超细金属粉末为钨、钼，粉末为亚微米粒子，形貌为球形晶体，再进行干法球磨混合；
(2)添加碳纳米管作为增强材料，所添加的碳纳米管为双壁碳纳米管，直径小于4μm，长度小于30μm，纯度大于95％，比表面积大于400m2/g，电导率大于150s/m，加入量为上述材料的0.1wt％，然后采用干法球磨混合均匀；
(3)将混合均匀的超细金属粉末通过模具模压成叶片毛坯；
(4)将得到的叶片毛坯通过熔炼区域完成合金化处理并定向凝固实现再结晶，熔炼区域的熔炼温度控制在1200℃，温度梯度>50k/cm，牵引速度10mm/min，定向凝固时采用空气进行冷却处理。在熔炼区域的前后均施加磁场，迫使还未融化的单晶或多晶镍粉颗粒的微小磁畴按单晶叶片的生长方向定向排列及约束和诱导处于高温再结晶过程的单晶磁矩按单晶叶片的生长方向定向排列，其中，在熔炼区域前施加前处理外部电磁场的磁感应强度为1特斯拉，磁矩方向与叶片曲面轴向的夹角始终控制在5度，在熔炼区域后施加后处理外部电磁场，该外部电磁场的磁感应强度为1特斯拉，磁矩方向与叶片曲面轴向的夹角始终控制在5度，制作得到空心的柱状晶叶片。
实施例10
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，采用以下步骤：
(1)以超细多晶镍粉颗粒为主要原材料，本实施例中采用的超细多晶镍粉颗粒为类球形，粒径为10μm，加入量为85wt％，根据高温合金材料配方要求还可以加入其它超细金属粉末，本实施例中加入的超细金属粉末为钴、铼、钌，粉末为微米粒子，形貌为类球形非晶体，再进行湿法球磨混合；
(2)添加碳纤维作为增强材料，所添加的碳纤维为高导热的碳纤维粉，直径小于50μm，长度小于500μm，含碳量大于99％，比表面积大于0.4m2/g，电导率大于1000s/m，导热系数大于400w/mk，加入量为上述材料的1wt％，然后采用湿法球磨混合均匀；
(3)将混合均匀的超细金属粉末通过3d打印成叶片毛坯；
(4)将得到的叶片毛坯通过熔炼区域完成合金化处理并定向凝固实现再结晶，熔炼区域的熔炼温度控制在1400℃，温度梯度>50k/cm，牵引速度80mm/min，定向凝固时采用空气进行冷却处理。在熔炼区域的前后均施加磁场，迫使还未融化的单晶或多晶镍粉颗粒的微小磁畴按单晶叶片的生长方向定向排列及约束和诱导处于高温再结晶过程的单晶磁矩按单晶叶片的生长方向定向排列，其中，在熔炼区域前施加前处理外部电磁场的磁感应强度为10特斯拉，磁矩方向与叶片曲面轴向的夹角始终控制在2度，在熔炼区域后施加后处理外部电磁场，该外部电磁场的磁感应强度为10特斯拉，磁矩方向与叶片曲面轴向的夹角始终控制在2度，制作得到空心的等轴晶叶片。
实施例11
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，采用以下步骤：
(1)以超细多晶镍粉颗粒为主要原材料，本实施例中采用的超细多晶镍粉颗粒为类球形，粒径为1mm，加入量为95wt％，根据高温合金材料配方要求还可以加入其它超细金属粉末，本实施例中加入的超细金属粉末为钴、铼、钌，粉末为微米粒子，形貌为类球形非晶体，再进行湿法球磨混合；
(2)添加碳纤维作为增强材料，所添加的碳纤维为高导热的碳纤维粉，直径小于50μm，长度小于500μm，含碳量大于99％，比表面积大于0.4m2/g，电导率大于1000s/m，导热系数大于400w/mk，加入量为上述材料的10wt％，然后采用湿法球磨混合均匀；
(3)将混合均匀的超细金属粉末通过3d打印成叶片毛坯；
(4)将得到的叶片毛坯通过熔炼区域完成合金化处理并定向凝固实现再结晶，熔炼区域的熔炼温度控制在1600℃，温度梯度>50k/cm，牵引速度150mm/min，定向凝固时采用空气进行冷却处理。在熔炼区域的前后均施加磁场，迫使还未融化的单晶或多晶镍粉颗粒的微小磁畴按单晶叶片的生长方向定向排列及约束和诱导处于高温再结晶过程的单晶磁矩按单晶叶片的生长方向定向排列，其中，在熔炼区域前施加前处理外部电磁场的磁感应强度为10特斯拉，磁矩方向与叶片曲面轴向的夹角始终控制在0度，在熔炼区域后施加后处理外部电磁场，该外部电磁场的磁感应强度为10特斯拉，磁矩方向与叶片曲面轴向的夹角始终控制在0度，制作得到空心的等轴晶叶片。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。