一种激光成形用镍基高温合金粉末的制备方法与流程

本发明涉及一种激光成形用镍基高温合金粉末的制备方法，属于高温合金及粉末冶金领域。

背景技术

镍基高温合金具有优异的耐高温腐蚀、耐疲劳、耐磨损性能和高强度，广泛应用于航空发动机涡轮盘、火箭发动机、航空飞行器等领域。但是，镍基高温合金切削困难、成形自由度低，激光成形为解决镍基高温合金的成形与应用难题提供了新的技术途径。激光成形是20世纪90年代中期开始发展起来的一种重要的增材制造技术(additivemanufacturing，am)，包括粉床激光成形技术(选区激光熔化)和粉末激光熔覆技术。激光成形可以直接获得具有良好冶金结合、致密度接近100％的实体零件，能实现材料的净成形或近净成形，对于难以加工的材料或具有复杂结构的构件有很好的适用性，应用前景广阔。然而，不同于传统粉末成形工艺对粉末的要求，激光成形不仅仅要求粉末氧含量低、球形度高、流动性好、无空心缺陷，而且要求粒径分布均匀，卫星粉少及松装密度高。其中，粉床选区激光成形所需粉末通常为粒径小于45μm的细粉末，激光熔覆成形采用的主要是粒径为45μm～106μm的粉末。

目前，高温合金粉末制备方法主要有等离子旋转电极法(prep)和气雾化法(aa)。prep法制备的粉末综合质量较好，以大粒径粉末为主。prep法的原材料是完全合金化的母合金棒材经过精加工后制得的旋转电极棒，要求作为电极的母合金棒材成份均匀、杂质含量低，对原材料质量要求高，设备要求复杂。aa法将合金熔体直接雾化成金属粉末，制得的粉末粒度较细，工艺成本低于prep法。由于激光成形对粉末的需求量大，对粉末粒径要求高，特别是粒径小于50μm的细粉末。为提高粉末材料的利用率，目前激光成形用镍基高温合金粉末主要采用气雾化法制备。但是，镍基高温合金成分复杂、熔点高，气雾化过程中的物理、化学变化非常复杂，极易出现粉末空心缺陷，导致气体夹杂。同时，粉床选区激光成形所需的粉末其粒径通常小于45μm，比表面积大，非常容易吸附氧气，增加氧含量，导致成形样品性能降低。目前，aa法制得的粉末还会出现卫星粉及非金属夹杂，细粉末(粒径小于50μm)收得率较低，一般不超过40％，增加了粉床选区激光成形的生产成本；激光熔覆成形所需的粒径为45μm～106μm的粉末，往往具有较多的空心缺陷，而这些缺陷在激光成形的过程中，容易成为裂纹源，降低成形样品的质量和性能。

本发明提供了一种激光成形用镍基高温合金粉末的制备方法，制备出了满足激光成形技术要求的镍基高温合金粉末，有效提高了细粉末(粒径小于50μm)收得率，解决了粉末空心缺陷和卫星粉等问题。

技术实现要素：

本发明设计了一种激光成形用镍基高温合金粉末的制备方法，制备的粉末含氧量低、杂质含量少、球形度高，卫星粉少，小粒径粉末收得率高且分布均匀，流动性好，激光成形过程送粉情况优良，成形性能稳定。

本发明一种激光成形用镍基高温合金粉末的制备方法，其包括下述步骤：

步骤一：在真空条件下，对镍基高温合金或配制的镍基高温合金原料进行熔炼、脱气，得到完全合金化的熔体；

步骤二：将步骤一所得完全合金化的熔体导入雾化炉中，经气雾化处理，得到镍基高温合金粉末；所述气雾化处理是通过环孔锥形喷嘴的高压雾化介质将金属液流击碎成细小液滴，液滴在飞行过程中经过冷却并凝固形成镍基高温合金粉末；所述环孔锥形喷嘴直径为3.5mm，气雾化处理时控制熔体的喷射速度为3.5～4kg/min，控制雾化炉内的炉压力0.22～0.23bar，所述高压雾化介质的压力为3.5～4.5mpa；

步骤三：将步骤二所得镍基高温合金粉末经过超声振动筛分，过150目网筛初步筛选去除≥106μm的粉末，然后，使用超声振动筛分装置325目网筛筛选出粒径为小于45μm、用于粉床选区激光成形的镍基高温合金粉末，以及粒径为45μm～106μm、用于激光熔覆成形的镍基高温合金粉末。

在某些特定合金牌号熔炼时，需要加入ti和zr等高活性组分，熔炼时须将ti和zr单独放入加料仓，熔体温度达到1570℃时通过加料仓加入ti和zr。

本发明一种激光成形用镍基高温合金粉末的制备方法，所述镍基高温合金以质量百分比计包括下述组分：

ni：48～52％，

co：18～22％，

cr：11～14％，

mo：3～5％，

w：2～3％，

al：3～5％，

ti：3～4％，

ta：2～3％，

nb：0.5～1.5％，

zr：0.05～0.15％，

b：0.03～0.05％，

c：0.03～0.05％。

本发明一种激光成形用镍基高温合金粉末的制备方法，步骤一中，将镍基高温合金或配制的镍基高温合金原料加入熔炼炉内，抽真空至炉腔真空度高于10^-1mpa时，充入惰性气体保护，加热并进行合金熔炼。

本发明一种激光成形用镍基高温合金粉末的制备方法，步骤一中所述脱气的温度为1580～1610℃、时间为5～10min。

本发明一种激光成形用镍基高温合金粉末的制备方法，步骤二中所述环孔锥形喷嘴中锥形喷嘴的个数为16～22个。

本发明一种激光成形用镍基高温合金粉末的制备方法，步骤二中所述环孔锥形喷嘴工作时，喷射气锥顶角为50°-65°。本发明通过喷射气锥顶角和喷嘴的个数的配合，将卫星粉的产生概率降到了一个极小的值(几乎可以忽略不计)。

本发明一种激光成形用镍基高温合金粉末的制备方法，步骤二中所述高压雾化介质为高纯氩气，所述高纯氩气的纯度为99.99wt％,雾化温度为液相线温度以上300～400℃。

本发明的优点和积极效果：

通常认为，气雾化法制粉工艺中若雾化温度过高，球化时间延长，凝固粉末易受到多种因素的影响而发生形变，从而使得雾化粉末球形度降低，一般的制粉工艺中相对于液相线过热度一般不超过150℃，通常为几十度。同时，制粉压力越大，气流与金属液流的相对速度越大，使得的雾化过程进行得越充分，从而得到更多更细的粉末颗粒。上述操作也面临着卫星粉末大大增加的难题。本发明首次提出，低熔体液流速配合熔体高过热温度、中低雾化压力以及环孔锥形喷嘴的工艺，通过综合控制金属液质量流率、气液比、雾化介质压力等工艺参数，制备出了球形度好、卫星粉末少(其产生概率和产品中的存在数量远远低于现有技术)、无空心缺陷的粉末，细粉末收得率高，其中粒径≤50μm的粉末高于60％，完全满足粉床选区激光熔化成形技术要求。

本发明通过各工艺以及各工艺参数的协同作用，成功制备出了氧含量低于0.010％的镍基高温合金粉末，且无需预先加工镍基合金棒料，缩短了工艺流程，降低了生产成本，有利于激光成形用镍基合金粉末的大规模生产。

本发明创新性的采用熔体高过热温度、中等雾化压力、低熔体液流速，以及特殊喷射气锥顶角的环孔锥形喷嘴制备镍基高温合金粉末，提高气液比的同时，降低了金属的表面张力和黏度。通过控制雾化温度为1620～1720℃、制粉气压为3.5～4.5mpa、液流速度为3.5～4kg/min，制备的粉末球形度好，氧含量低于0.010％，细粉末收得率高，其中粒径≤50μm的粉末高于60％，粒径≤45μm的细粉末收得率高于58％，完全满足粉床选区激光熔化成形技术要求，且无需预先加工镍基合金棒料，缩短了工艺流程，降低了生产成本，有利于激光成形用镍基合金粉末的大规模生产，大幅提高了粉末的生产效率。

本发明采用较低的液流速度，以提高气液比，加大了金属液滴的冷却速度，控制制粉炉压为0.22～0.23bar，制粉气压为3.5～4mpa，获得了球形度较高的镍基高温合金粉末，粉末粒径小于50μm的粉末收得率在60％以上，大幅提高了粉末的生产效率。同时本发明所得产品中，卫星粉末产生的概率也远远低于现有技术。本发明所制备的粉末流动性好，松装密度高，铺粉均匀，完全满足激光烧结成形要求。

本发明通过各制备工艺参数及工艺流程的协同作用，提高细粉末收得率的同时，降低了熔滴的黏度和表面张力，使得粉末充分破碎且减少了包裹惰性气体的可能，完全消除了粉末的空心缺陷，解决了激光成形过程中由于粉末质量因素造成的宏观裂纹及缺陷等问题，制备出了符合激光熔覆成形技术要求的镍基高温合金粉末。

本发明通过各制备工艺参数及工艺流程的协同作用，消除了粉末的空心缺陷，粉末球形度好，制备出满足激光成形技术要求的镍基合金粉末，大大提升了粉末的利用率。

总之，采用本发明能够高效的制备满足激光成形技术要求的镍基高温合金粉末。

附图说明

图1为实施例1制得的激光成形用镍基高温合金粉末颗粒的粒径分布图。

图2为实施例1制得的激光成形用镍基高温合金粉末颗粒的形貌。

图3为实施例1制得的激光成形用镍基高温合金粉末颗粒的截面图。

图4为实施例2制得的激光成形用镍基高温合金粉末颗粒的形貌。

图5为实施例2制得的激光成形用镍基高温合金粉末颗粒的截面图。

图1表明实施例1中，筛分前粒径为小于50μm的细粉末收得率高于60％。

图2结果表明，实施例1制得的镍基高温合金粉末具有很高的球形度，且卫星粉较少。

图3结果表明，实施例1制得的镍基高温合金粉末颗粒中，没有出现空心缺陷。

图4结果表明，实施例2制得的镍基高温合金粉末具有很高的球形度，且卫星粉较少。

图5结果表明，实施例2制得的镍基高温合金粉末颗粒中，没有出现空心缺陷。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

实施例1：

(1)合金熔炼：将20kg的镍基高温合金原料加入真空感应熔炼炉，ti和zr放入一旁的加料仓(ti：0.82kg、zr：0.02kg)。关闭舱门，抽真空降低炉压到10^-1mpa，进行合金熔炼，加热到1570℃时通过加料仓加入ti和zr。所述镍基高温合金原料以质量百分比计包括下述组分：ni：9.97kg，co：4.15kg，cr:2.7kg，mo：0.765kg，w:0.418kg，al：0.72kg，ti：0.82kg，ta：0.488kg，nb：0.182kg，zr：0.02kg，b：0.06kg，c：0.008kg。

(2)真空脱气：合金完全熔化后，在1580℃进行真空脱气10min。

(3)雾化制粉：将完全熔化的合金原料以3.5kg/min的流速经过导流管导入雾化炉中，控制雾化温度为1650℃、制粉炉压为0.22bar、制粉气压为3.5mpa，通过直径为3.5mm的环孔锥形喷嘴的高压高纯氩气(纯度为99.99wt％)将金属液流击碎成细小液滴，液滴在飞行过程中经过冷却，快速凝固后形成镍基高温合金粉末，进入收粉罐中冷却4h。(所述环孔锥形喷嘴中锥形喷嘴的个数为16个。所述环孔锥形喷嘴工作时，喷射气锥顶角为50°。)

(4)粉末筛分：将冷却后的镍基高温合金粉末经过超声振动筛分，通过150目网筛初步筛选去除≥106μm的粉末。然后，使用超声振动筛分装置325目网筛筛选出所需的镍基高温合金粉末。

所得到镍基高温合金以质量百分比计包括下述组分：

ni：余量，co：18.5％，cr：14％，mo：4.66％，w：2.17％，al：3.47％，ti：3.83％，ta：2.29％，nb：0.89％，zr：0.12％，b：0.05％，c：0.045％。

本实施例制备得到的镍基高温合金粉末粒径分布如图1所示，颗粒形貌如图2所示，横截面形貌如图3所示。经检测，粉末氧含量为0.011％，平均粒径为29.23μm，松装密度为4.08g/cm³，振实密度为5.20g/cm³。

上述粉末的应用，包括下述步骤：

(1)模型构建

按照所需成形件特征，在计算机上建立三维模型并保存为stl格式的文件，将其导入粉床选区激光熔化成形设备的建造软件中，进行分层处理。

(2)激光成形前处理

成形仓基板使用不锈钢材料，进行喷砂(sio2)处理后放入成形区，并将基板调平，然后将步骤一所得镍基高温合金粉末装入粉床选区激光熔化成形设备的供粉缸，使用刮刀将粉末均匀平铺于成形基板之上，关闭设备舱门。

(3)参数设置及激光成形

在粉床选区激光熔化成形设备所配备操作系统中，调节基板加热温度为120℃，通入高纯氩气(纯度为99.99wt％)保护，控制腔内氧气含量≤0.1％，调节光斑直径为80μm，并设置铺粉层厚为30μm、成形件填充激光输入功率为200w、扫描速度为800mm/s、扫描间距为0.08mm，以及轮廓激光输入功率为130w、扫描速度为800，并选择填充+旋转(每层顺时针旋转67.5°)，保存工件参数，开始进行烧结。

(4)激光成形后处理

采用线切割工艺将成形件从基板上分离，获得所需镍基高温合金成形件。

本实施例制得镍基高温合金成形件致密度为98.37％，抗拉强度为985mpa，屈服强度为819mpa，延伸率为6.21％。

上述3d打印的产品还可以进行后续热处理。

实施例2：

(1)合金熔炼：将20kg的镍基高温合金原料加入真空感应熔炼炉，ti和zr放入一旁的加料仓(ti：0.82kg，zr：0.02kg)。关闭舱门，抽真空降低炉压到10^-1mpa，加热开始进行合金熔炼，加热到1570℃时通过加料仓加入ti和zr。所述镍基高温合金原料以质量百分比计包括下述组分：ni：9.96kg，co：4.13kg，cr:2.7kg，mo：0.758kg，w:0.413kg，al：0.727kg，ti：0.82kg，ta：0.486kg，nb：0.182kg，zr：0.02kg，b：0.06kg，c：0.008kg。

(2)真空脱气：合金完全熔化后，在1610℃进行真空脱气5min。

(3)雾化制粉：将完全熔化的合金原料以4kg/min的流速经过导流管导入雾化炉中，控制雾化温度为1670℃、制粉炉压为0.23bar、制粉气压为4mpa，通过直径为3.5mm的环孔锥形喷嘴的高压高纯氩气(纯度为99.99wt％)将金属液流击碎成细小液滴，液滴在飞行过程中经过冷却，快速凝固后形成镍基高温合金粉末，进入收粉罐中冷却4h。(所述环孔锥形喷嘴中锥形喷嘴的个数为20个。所述环孔锥形喷嘴工作时，喷射气锥顶角为60°。)(4)粉末筛分：将冷却后的镍基高温合金粉末经过超声振动筛分，通过150目初步筛选去除≥106μm的粉末。然后，使用超声振动筛分装置325目网筛筛选出所需的镍基高温合金粉末。

所得到镍基高温合金以质量百分比计包括下述组分：

ni：余量，co：20％，cr：12.6％，mo：3.78％，w：2.14％，al：3.24％，ti：3.66％，ta：2.05％，nb：0.82％，zr：0.057％，b：0.045％，c：0.05％。

本实施例制备得到的镍基高温合金粉末颗粒形貌如图4所示，横截面形貌如图5所示。经检测，粉末氧含量为0.009％，平均粒径为31.00μm，松装密度为4.21g/cm³，振实密度为5.32g/cm³。

上述粉末的应用，包括下述步骤：

(1)模型构建

按照所需成形件特征，在计算机上建立三维模型并保存为stl格式的文件，将其导入粉床选区激光熔化成形设备的建造软件中，进行分层处理。

(2)激光成形前处理

成形仓基板使用不锈钢材料，进行喷砂(sio2)处理后放入成形区，并将基板调平，然后将步骤一所得镍基高温合金粉末装入粉床选区激光熔化成形设备的供粉缸，使用刮刀将粉末均匀平铺于成形基板之上，关闭设备舱门。

(3)参数设置及激光成形

在粉床选区激光熔化成形设备所配备操作系统中，调节基板加热温度为110℃，通入高纯氩气(纯度为99.99wt％)保护，控制腔内氧气含量≤0.1％，调节光斑直径为80μm，并设置铺粉层厚为30μm、成形件填充激光输入功率为180w、扫描速度为900mm/s、扫描间距为0.09mm，以及轮廓激光输入功率为120w、扫描速度为900mm/s，并选择填充+旋转(每层顺时针旋转67.5°)，保存工件参数，开始进行烧结。

(4)激光成形后处理

采用线切割工艺将成形件从基板上分离，获得所需镍基高温合金成形件。

本实施例制得镍基高温合金成形件致密度为98.25％，拉伸强度为957mpa，屈服强度为804mpa，延伸率为5.97％。

上述3d打印的产品还可以进行后续热处理。

尝试了其他方案，尤其是喷射气锥顶角不在50°-65°、气雾化处理时熔体的喷射速度大于4.5kg/min时，所得粉体中，卫星粉末的数量明显增多。