本发明属于3D打印和增材制造技术领域，涉及一种Ni-Co-Fe镍基合金粉末的制备方法及应用，具体涉及一种3D打印专用低膨胀系数镍基合金Ni-Co-Fe粉末的制备方法及应用。
背景技术：
3D打印（增材制造）技术又称快速成形技术。与传统制造加工方式相比，增材制造技术能直接近净成形，无需模具。因其产品从设计到生产周期短、成本低等特点，被视为制造业的一个重要变革。同时，增材制造技术具有很高的通用性，不受零件的尺寸限制，以及可以应用制造新型组件，修复和重构磨损和损坏的零件。
Ni-Co-Fe合金系除具有高强度和低膨胀性能外，还具有良好的抗氢环境脆性，尤其是抗大气高压氢脆性能，可用于火箭发动机的主燃烧室、加速箱、弹簧、涡轮泵、排气导管、喷嘴、螺栓等氢气环境下服役的关键构件。美国某火箭发动机上用了一百多公斤的低膨胀高温合金，占发动机总重量的5%。由于航天领域常用到抗高温的陶瓷材料，与具有较低膨胀系数的陶瓷材料的连接也需用低膨胀高温合金。因此低膨胀高温合金在航空航天领域的应用前景广阔，尤其是新一代高推比发动机所必须的优质材料。
20世纪90年代，为了提高飞机发动机的效率，希望提高发动机部件的工作温度，要求合金应具有良好的抗氧化性能，传统合金已不能满足需求，需要发展能在更高温度使用的新型抗氧化高强度低膨胀高温合金。改善性能的思路集中在几方面，其一是在Ni-Co-Fe系合金的基础上进行成分的调整，其二是进行Ni-Mo-Cr系低定膨胀合金的研究。Carpenter公司对Ni-Co-Fe合金进行了系统研究，在保持Ni+Co为50%时改变Ni和Co的比率，合金的拉伸、持久强度都很高，抗氧化性能好，可在650℃下长期使用而无需保护图层，但膨胀系数偏高，难以满足目前3D打印成型工艺的要求。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决Ni-Co-Fe镍基合金膨胀系数偏高，难以满足目前3D打印成型工艺要求的问题，提供一种高强度、高纯度、高球形度Ni-Co-Fe镍基合金粉末的制备方法及应用，通过对Ni-Co-Fe镍基合金的研究，调整了强化元素Nb、Al、Ti的含量，使三相合金达到相平衡，提高了合金的高温塑性和持久性能，合金的强度和抗氧化性达到最佳状态，该合金粉末成分均匀、膨胀系数小、组织细小、性能优异，满足各高科技领域的应用要求，适用于3D打印的技术增材制造。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种Ni-Co-Fe镍基合金粉末的制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一：合金熔炼：采用标准真空感应熔炼方法制备Ni-Co-Fe合金铸锭；
步骤二：加工电极：对制备的Ni-Co-Fe合金铸锭进行车削加工，将Ni-Co-Fe合金铸锭加工成Ni-Co-Fe合金电极圆棒；
步骤三：雾化制粉：在加料室内，将步骤二中加工的与感应线圈匹配的Ni-Co-Fe合金电极圆棒，垂直固定夹持在提升机构上；启动雾化制粉设备的真空系统，对雾化制粉设备的熔炼室和雾化室预抽真空，当真空度≤6.7×10-2Pa，升压率≤0.67Pa/h时，通过充气管道向熔炼室和雾化室充入惰性气体保护，使熔炼室和雾化室内压力为0.9~1.1atm；由电机驱动，将缓慢旋转的Ni-Co-Fe合金电极圆棒下降至高频感应线圈中，电极旋转保持一定转速，根据熔化速度调整电极的进给速度，调整范围为0~100mm/min；线圈的感应功率为70~100kW，电极熔化形成液流，自然滴落；此时启动雾化制粉设备中的环孔气体雾化喷嘴，气流压力在2.5~4MPa之间，当Ni-Co-Fe合金液流经过环孔气体雾化喷嘴时，液流被环孔气体雾化喷嘴产生的气流均匀、充分击碎并凝固形成微细粉末颗粒，冷却形成粉末；
步骤四：粉末收集筛分：粉末冷却后，经旋风分离器收集，利用新乡伟良筛分机械有限公司S49-1000型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。
一种上述制备的Ni-Co-Fe镍基合金粉末的应用，所述的Ni-Co-Fe镍基合金粉末粒径分布为15~45μm，D50≤32μm，含氧量≤1000ppm，球形度为90%~95%的粉末应用于激光熔化金属沉积增材制造。
一种上述制备的Ni-Co-Fe镍基合金粉末的应用，所述的Ni-Co-Fe镍基合金粉末粒径分布为106~205：3.0%~5.0%、75~106：40%~45%、45~75：45%~53%、0~45：3.0%~6.0%，其中，粒径范围在45~106μm，含氧量≤1000ppm，球形度为90%~95%的Ni-Co-Fe镍基合金粉末应用于电子束熔融增材制造和激光立体成形技术领域。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
（1）提高了Ni-Co-Fe镍基合金的高温塑性和持久性能，合金的强度和抗氧化性达到最佳状态，且具有较低的膨胀系数。
（2）本发明针对不同的金属3D打印技术对粉末粒径的要求，通过合金熔炼、脱气、精炼、雾化、筛分、气流分级等方法，制备适用于不同3D打印技术的Ni-Co-Fe镍基合金粉末，粒径分布均匀，粉末颗粒球形度高，平均球形度≥90%，粉末流动性好（≤15s/50g）。
（3）本发明制备的 Ni-Co-Fe镍基合金粉末成分均匀、杂质含量低，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。
附图说明
图1是本发明使用的雾化制粉设备结构图，其中，1-提升机构，2-加料室，3-Ni-Co-Fe合金电极圆棒，4-插板阀，5-熔炼室，6-高频感应线圈，7-环孔气体雾化喷嘴，8-雾化室，9-真空管道，10-充气管道。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：本实施方式记载的是一种Ni-Co-Fe镍基合金粉末的制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一：合金熔炼：采用标准真空感应熔炼方法对Ni-Co-Fe合金原料进行熔炼，制备Ni-Co-Fe合金铸锭；
步骤二：加工电极：对熔炼制备的Ni-Co-Fe合金铸锭进行车削加工，将Ni-Co-Fe合金铸锭加工成Ni-Co-Fe合金电极圆棒3；
步骤三：雾化制粉：在加料室2内，将步骤二中加工的与感应线圈匹配的Ni-Co-Fe合金电极圆棒3，垂直固定夹持在提升机构1上；关闭加料室2，启动雾化制粉设备的真空系统，对雾化制粉设备的熔炼室5和雾化室8预抽真空，当真空度≤6.7×10-2Pa，升压率≤0.67Pa/h时，通过充气管道10向熔炼室5和雾化室8充入惰性气体保护，使熔炼室5和雾化室8内压力为0.9~1.1atm；由电机驱动，将缓慢旋转的Ni-Co-Fe合金电极圆棒3下降至高频感应线圈6中，电极旋转保持一定转速，根据熔化速度调整电极的进给速度，调整范围为0~100mm/min；线圈的感应功率为70~100kW，电极熔化形成细小液流，自然滴落；此时启动雾化制粉设备中的环孔气体雾化喷嘴7，气流压力为2.5~4MPa，当Ni-Co-Fe合金液流经过环孔气体雾化喷嘴7时，液流被环孔气体雾化喷嘴7产生的气流均匀、充分击碎并凝固形成微细粉末颗粒，冷却形成粉末，本步骤使用的雾化制粉设备如图1所示；所述的提升机构1下部为加料室2，加料室2下部设置有熔炼室5，加料室2与熔炼室5之间的连接处设置有插板阀4，通过插板阀4的插拔能够控制加料室2与熔炼室5的隔离与连通，熔炼室5内设置有高频感应线圈6，熔炼室5下方设置有雾化室8，熔炼室5和雾化室8之间安装有环孔气体雾化喷嘴7，真空管道9分别与加料室2、熔炼室5、雾化室8相连通，充气管道10分别与熔炼室5和雾化室8相连通。
步骤四：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。
具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种Ni-Co-Fe镍基合金粉末的制备方法，步骤一中，所述的Ni-Co-Fe合金原料成份按照重量百分比由以下元素组成：Ni：30.0%~37.0%、Co：27.0%~30.0%、Fe：27.0%~30.0%、Nb：2%~6%、Ti：0.3%~1.0%、Al：4%~10%。
具体实施方式三：具体实施方式一所述的一种Ni-Co-Fe镍基合金粉末的制备方法，步骤一中，所述的熔炼为三次真空非自耗熔炼，以达到成分均匀。
具体实施方式四：具体实施方式一所述的一种Ni-Co-Fe镍基合金粉末的制备方法，步骤二中，所述的Ni-Co-Fe合金电极圆棒的直径为50~100mm，长度为500~700mm。
具体实施方式五：具体实施方式一所述的一种Ni-Co-Fe镍基合金粉末的制备方法，步骤三中，所述的夹持方式为气动夹紧。
具体实施方式六：具体实施方式一所述的一种Ni-Co-Fe镍基合金粉末的制备方法，步骤三中，所述的惰性气体为高纯氩气或氦气。
具体实施方式七：具体实施方式一所述的一种Ni-Co-Fe镍基合金粉末的制备方法，步骤三中，所述的电机旋转的转速为40~100rpm。
具体实施方式八：一种具体实施方式一至七任一具体实施方式所述制备的Ni-Co-Fe镍基合金粉末的应用，所述的Ni-Co-Fe镍基合金粉末粒径分布为15~45μm，D50（平均粒径）≤32μm，含氧量≤1000ppm，球形度为90%~95%的粉末应用于激光熔化金属沉积增材制造。
具体实施方式九：一种具体实施方式一至七任一具体实施方式所述制备的Ni-Co-Fe镍基合金粉末的应用，所述的Ni-Co-Fe镍基合金粉末粒径分布为106~205：3.0%~5.0%、75~106：40%~45%、45~75：45%~53%、0~45：3.0%~6.0%，其中，粒径范围在45~106μm，含氧量≤1000ppm，球形度为90%~95%的Ni-Co-Fe镍基合金粉末应用于电子束熔融增材制造和激光立体成形技术领域。
实施例1：
（1）合金熔炼：对Ni-Co-Fe合金原料进行熔炼；合金成分为：Ni：31.6%，Co：30.9%，Fe：22.8%，Nb：5.1%，Ti：0.4%，Al：9.2%。
（2）加工电极：对熔炼的Ni-Co-Fe合金棒进行车削加工成电极圆棒，直径为70mm，长度为500mm；
（3）雾化制粉：在加料室内，将Ni-Co-Fe合金电极圆棒，垂直固定夹持在提升机构上；关闭加料室，通过真空管道对加料室、熔炼室和雾化室预抽真空，真空度≤6.7×10-2Pa，升压率≤0.67Pa/h，抽真空时间≤15分钟，然后通过充气管道向熔炼室和雾化室充入惰性气体保护，使腔室内压力为1.1 atm；由电机驱动，将缓慢旋转的电极置于高频感应线圈中，电极旋转保持60rpm的转速，电极的进给速度为50mm/min；线圈的感应功率90kW，电极熔化形成细小液流，自然滴落；同时打开环孔气体雾化喷嘴的阀门，压力为3MPa，当合金液流经环孔气体雾化喷嘴时，液流被环孔气体雾化喷嘴产生的高速气流均匀、充分击碎并凝固形成微细粉末颗粒，冷却形成粉末；
（4）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。
制备的粉末粒径分布15~45μm，D50=31.5μm，球形度为93%。
制备的粉末粒径分布45~106μm，粉体粒径分布为106~205μm：3.4%、75~106μm：42%、45~75μm：50.2%、0~45μm：4.4%，球形度92%的球形粉末。
实施例2：
（1）合金熔炼：对Ni-Co-Fe合金原料进行熔炼；合金成分为：Ni：34.2%，Co：28.3%，Fe：28.8%，Nb：3.3%，Ti：0.57%，Al：4.83%。
（2）加工电极：对熔炼的Ni-Co-Fe合金棒进行车削加工成电极圆棒，直径为70mm，长度为500mm；
（3）雾化制粉：在加料室内，将Ni-Co-Fe合金电极圆棒，垂直固定夹持在提升机构上；关闭加料室，通过真空管道对加料室、熔炼室和雾化室预抽真空，真空度≤6.7×10-2Pa，升压率≤0.67Pa/h，抽真空时间≤15分钟，然后通过充气管道向熔炼室和雾化室充入惰性气体保护，使腔室内压力为1.1 atm；由电机驱动，将缓慢旋转的电极置于高频感应线圈中，电极旋转保持100rpm的转速，电极的进给速度为100mm/min；线圈的感应功率100kW，电极熔化形成细小液流，自然滴落；同时打开环孔气体雾化喷嘴的阀门，压力为 4MPa，当合金液流经环孔气体雾化喷嘴时，液流被环孔气体雾化喷嘴产生的高速气流均匀、充分击碎并凝固形成微细粉末颗粒，冷却形成粉末；
（4）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。
制备的粉末粒径分布15~45μm，D50=30.0μm，球形度为94%。
制备的粉末粒径分布45~106μm，粉体粒径分布为106~205：4.9%、75~106：44%、45~75μm：45.8%、0~45：5.3%，球形度92%的球形粉末。
实施例3：
（1）合金熔炼：对 Ni-Co-Fe合金原料进行熔炼；Ni：37.1%，Co：26.4%，Fe：26.7%，Nb：2.17%，Ti：0.97%，Al：6.66%。
（2）加工电极：对熔炼的Ni-Co-Fe合金棒进行车削加工成电极圆棒，直径为70mm，长度为500mm；
（3）雾化制粉：在加料室内，将Ni-Co-Fe合金电极圆棒，垂直固定夹持在提升机构上；关闭加料室，通过真空管道对加料室、熔炼室和雾化室预抽真空，真空度≤6.7×10-2Pa，升压率≤0.67Pa/h，抽真空时间≤15分钟，然后通过充气管道向熔炼室和雾化室充入惰性气体保护，使腔室内压力为1atm；由电机驱动，将缓慢旋转的电极置于高频感应线圈中，电极旋转保持50rpm的转速，电极的进给速度为40mm/min；线圈的感应功率70kW，电极熔化形成细小液流，自然滴落；同时打开环孔气体雾化喷嘴的阀门，压力为 2.5MPa，当合金液流经环孔气体雾化喷嘴时，液流被环孔气体雾化喷嘴产生的高速气流均匀、充分击碎并凝固形成微细粉末颗粒，冷却形成粉末；
（4）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。
制备的粉末粒径分布15~45μm，D50=31.0μm，球形度为92%。
制备的粉末粒径分布45~106μm，粒径分布为106~205：4.8%、75~106：40.5%、45~75μm：50.1、0~45：4.6%，球形度93%的球形粉末。