一种增材制造低开裂敏感性镍基高温合金

本发明涉及一种增材制造低开裂敏感性镍基高温合金，属于高温合金及增材制造领域。

背景技术：

1、镍基高温合金具有优异的强度、损伤容限和耐久性，是航空航天热端部件的优选结构材料。但是，镍基高温合金在增材制造过程中极易产生裂纹，甚至在存放、热处理过程中也会产生开裂。

2、针对镍基高温合金增材制造开裂问题，已经开展了大量研究。dang[x.dang,etal.avoiding cracks in additively manufactured non-weldabledirectionallysolidified ni-based superalloys,additive manufacturing 59(2022)103095]通过提高基板预热温度，减小温度梯度，降低增材制造in738镍基高温合金中裂纹密度，提高力学性能。xu等人[j.xu,et al.grain refinement and crack inhibition of hard-to-weldinconel 738alloy by altering the scanning strategy during selective lasermelting,materials&design 209(2021)109940]采用层间旋转67°的激光扫描策略，制备得到几乎无裂纹的局部等轴组织。wei等人[b.wei,et al.microstructure,crackingbehavior and mechanical properties of rené104superalloy fabricated byselective laser melting,journal of alloys and compounds 867(2021)158377]优化了slm成形rené104镍基高温合金的激光功率、扫描速度等工艺参数，提高了成形件的相对密度和力学性能，但无法消除成形件的裂纹缺陷。lv等人[y lv,et al.crackinginhibition behavior and the strengthening effect of tic particles on thecm247lc superalloy prepared by selective laser melting,materials science&engineering a858(2022)144119]通过添加纳米tic颗粒，消除了slm成形cm247lc高温合金中裂纹，使合金强度大幅提高。tomus等人[d.tomus,et al.effect of minor alloyingelements on crack-formation characteristics of hastelloy-xmanufactured byselective laser melting,additive manufacturing 16(2017)65-72.]通过降低hastelloy-x合金中si、c、mn元素含量，改善合金显微组织，有效抑制了开裂，提高了合金力学性能。中国专利cn202010891107.5公开了一种预防选区激光熔融镍基高温合金开裂的方法，通过降低镍基高温合金中zr、b低熔点相形成元素，并调整合金中al、ti的总含量至≤4.5wt％，制备出了相对密度高、无裂纹缺陷、力学性能优良的制件。中国专利cn202010891045.8公开了一种消除3d打印镍基高温合金裂纹的方法，针对γ′相沉淀强化镍基高温合金3d打印易产生裂纹的问题，提出通过re微合金化，降低γ′相沉淀强化镍基高温合金3d打印开裂敏感性，扩宽3d打印工艺窗口，抑制3d打印裂纹的产生，大幅提高成形件的强度和塑性，有效预防工序间存放开裂、后续热处理开裂等后续加工过程中裂纹的形成。制备的γ′相沉淀强化镍基高温合金rené104未见裂纹，相对密度均超过99.4％，打印态样品的屈服强度和抗拉强度分别达到了935mpa和1256mpa，伸长率超过14.0％。

3、本发明提出通过re元素复合微合金化调控显微组织，首次在增材制造开裂敏感型镍基高温合金显微组织中引入高密度层错及lomer-cottrell锁。同时，re元素与al元素反应形成含re第二相，细化晶粒，增加等轴晶数量，减少柱状晶数量和长径比。本发明实现了合金显微组织调控，降低开裂敏感性，同步提高合金的强度和塑性，完全消除了镍基高温合金的增材制造裂纹，解决了增材制造镍基高温合金的成形、存放及后处理开裂问题，设计出了一种完全适用于增材制造的镍基高温合金。

技术实现思路

1、为了解决镍基高温合金增材制造成形性及工艺性差的问题，本发明基于发明人团队前期研究基础(cn202010891045.8)，首次设计了一种适用于增材制造的高强塑性镍基高温合金，在增材制造样品中形成了高密度层错及lomer-cottrell锁，无裂纹缺陷，增材制造工艺性好，具有更高的强度和塑性。

2、本发明提供一种增材制造用高强塑性镍基高温合金，以含re的中间合金为原料，对镍基高温合金进行re微合金化，诱导合金形成高密度层错及lomer-cottrell锁，降低了开裂敏感性，同步提高强度和塑性，制备出完全无裂纹镍基高温合金。

3、本发明一种增材制造用高强塑性镍基高温合金，所述镍基高温合金中形成了含re纳米第二相和细小的亚晶结构，等轴晶数量显著增加，柱状晶占比及其长径比大幅减小。

4、本发明一种增材制造用高强塑性镍基高温合金，所述镍基高温合金具有高密度层错和lomer-cottrell锁；所述高密度层错是指：合金中层错密度大于1.8×1011cm-2。

5、本发明一种增材制造用高强塑性镍基高温合金，开裂敏感性低，合金制备过程中无裂纹产生，且在后续存放、热处理过程中不开裂。

6、本发明材料组分结构设计合理，对生产工艺要求降低，制备的合金制件相对密度高，无裂纹缺陷。这为其实现工业化，提供了必要条件。

7、与中国专利cn202010891045.8相比，本发明所提供的镍基高温合金增材制造工艺性能及力学性能显著提升。

8、本发明一种增材制造用高强塑性镍基高温合金，所述镍基高温合金通过增材制造得到打印态产品，打印态产品通过热处理，得到热处理态的产品。

9、本发明一种增材制造用高强塑性镍基高温合金，其以质量百分比计包括下述组分：

10、基体高温合金含量99.80-99.92wt.％；

11、re元素含量0.08-0.20wt.％、优选为0.12-0.20wt.％、更进一步优选为0.14wt.％；

12、所述基体高温合金选自in738lc、cm247lc、cmsx-4、hastelloy x、rené104中的一种，优选为rené104。

13、所述re元素选自sc、y、la、ce中的至少一种，优选为由sc、y，按质量比1：1组成；

14、镍基高温合金基体中微量元素含量与稀土元素按质量比13:13-14组成，所述微量元素为zr、b、c等元素。

15、本发明一种增材制造用高强塑性镍基高温合金，通过下述步骤制备：

16、步骤一：将镍基高温合金中的高熔点元素制备成含镍中间合金a，所述高熔点元素选自nb、ta、w、mo、cr、zr中的至少一种，所述含镍合金a的熔化温度小于1600℃；

17、将re元素设计成中间合金b；合金b的熔化温度与合金a的熔化温度之差的绝对值小于等于200℃；

18、步骤二：以中间合金a、b以及其他设计组分为原料，制备得到雾化镍基高温合金粉末；雾化合金粉末经过筛分，得到用于增材制造的备用合金粉末；

19、步骤三：采用备用合金粉末为原料，进行增材制造(3d打印)，得到打印态产品。

20、本发明一种增材制造用高强塑性镍基高温合金，结合二元合金相图，称取熔点较高的w、ta、nb、mo和ni金属单质；采用悬浮熔炼或电弧熔炼的方法，分别与金属镍制备ni-w、ni-ta、ni-nb、ni-mo二元中间合金，得到所述含镍合金a；

21、合金b通过下述步骤制备：根据二元合金相图，按照步骤一中操作内容，将稀土元素加入熔融金属al液中，制备得到含稀土元素的al-re中间合金b；制备过程中，在保护气体条件下进行熔炼；

22、所述的保护性气体为所述的惰性气体为氦气、氩气，或氩、氦混合气体，纯度为99.99wt.％，其中氧含量小于0.0001wt.％。

23、本发明一种增材制造用高强塑性镍基高温合金，合金b的熔化温度减去合金a的熔化温度小于等于200℃、优选为小于等于150℃。

24、本发明一种增材制造用高强塑性镍基高温合金，采用氩气雾化法或等离子旋转电极雾化法制备增材制造用雾化合金粉末，粉末的粒径范围为10-53μm。

25、本发明一种增材制造用高强塑性镍基高温合金，增材制造技术选自激光粉末床熔融(lpbf)，或电子束熔化，或激光同轴送粉激光成形中的一种。

26、增材制造时，为保证足够的激光能量输入，增加熔池内金属熔体的流动性促使金属熔体内元素的均匀分布和均匀熔池结构的形成，所用激光束光斑直径为80-100μm。

27、增材制造时，控制基板预热温度为150-200℃，控制扫描层间旋转角度为67°，控制激光输入功率为200～400w、优选为320～400w、进一步优选为345～355w，控制扫描速度为200～1200mm/s、优选为750～1200mm/s、进一步优选为780～820mm/s，控制搭接间距为70～120μm，控制铺粉层厚为35～60μm。

28、本发明中，增材制造所用保护气氛优选为氩气气氛，采用蛇形扫描方式进行扫描。

29、本发明一种增材制造用高强塑性镍基高温合金，所述打印态产品中平均晶粒尺寸小于68.3μm。

30、所述打印态产品中亚晶平均尺寸小于420nm。

31、本发明采用激光粉末床熔融成形，调节基板温度至170℃，设置扫描层间旋转角度为67°、激光输入功率为350w、扫描速度为800mm/s、搭接间距为90μm、铺粉层厚为40μm，所用激光光斑直径为100μm，扫描方式为蛇形扫描，通入氩气，打印得到无裂纹打印件。所制备的打印件相对密度为99.81％，其室温屈服强度和抗拉强度分别为1059mpa和1405mpa，伸长率为28.8％。

32、本发明一种增材制造用高强塑性镍基高温合金，在室内常温常压条件下存放730天，得到长时间存放样品，无裂纹。

33、本发明一种增材制造用高强塑性镍基高温合金，打印态产品在大于等于1170℃、优选为1170～1200℃进行热处理，得到热处理态的产品，无裂纹。

34、本发明一种增材制造用高强塑性镍基高温合金，打印态产品的热处理时间为1～8h、优选为1～6h、进一步优选为2～4h、更进一步优选为2～3h。

35、本发明一种增材制造用高强塑性镍基高温合金，打印态产品无开裂现象，产品打印态产品无开裂现象，产品的屈服强度为1012～1060mpa、优选为1040～1060mpa，抗拉强度为1370～1410mpa、优选为1380～1410mpa、伸长率为23～29％、优选为27.6～28.8％；

36、打印态产品进行1170-1180℃热处理后，所得热处理态产品的屈服强度为1115～1280mpa、优选为1124～1280mpa，抗拉强度为1510～1585mpa，伸长率为14～20％、优选为18～20％；所得热处理态产品无开裂现象。

37、原理和优势

38、本发明首次设计了一种具有高密度层错、lomer-cottrell锁的增材制造用高强塑性镍基高温合金。本发明提出通过re微合金化，诱导合金中产生高密度层错和lomer-cottrell锁，实现了增材制造镍基高温合金强塑性大幅提高及成形性的显著改善，采用各种增材制造工艺参数制备，均无裂纹。本发明制备的镍基高温合金制件在各种状态均无裂纹产生，包括增材制造、长时间存放和热处理。不需要进行去应力退火，直接进行高温热处理不开裂，或长期存放不开裂。

39、(1)本发明提出以低熔点中间合金为原料，制备用于增材制造的镍基高温合金粉末，降低了粉末制备过程中的re元素损耗，增材制造制备得到无裂纹镍基高温合金。

40、(2)本发明通过re微合金化，在镍基高温合金中形成含re纳米第二相。含re第二相作为形核剂，细化晶粒和亚晶结构，增加等轴晶数量，抑制柱状晶生长，减小柱状晶占比及其长径比。

41、(3)本发明所得产品中形成了高密度层错和lomer-cottrell锁，纳米第二相、细小亚晶结构，等轴晶，低长径比柱状晶，大幅降低合金开裂敏感性，同步提高合金的强度和塑性。

42、(4)本发明通过设计组分与制粉工艺配合制备的镍基高温合金粉末，采用各种增材制造工艺参数制备的打印件均无裂纹，有效抑制合金在增材制造、长期存放及热处理过程中开裂。

43、(5)本发明所设计的镍基高温合金，无需进行低温去应力退火处理，直接进行高温热处理不发生开裂，其强度大幅提高的同时，还能够后保持较好的塑性。

44、综上所述，本发明一种增材制造用高强塑性镍基高温合金，首次提出采用低熔点中间合金的方式添加re微合金化元素，诱导合金形成高密度层错和lomer-cottrell锁，以及含re第二相、细小的晶粒及亚晶组织，增加等轴晶，抑制柱状晶生长，减小柱状晶占比及其长径比，实现合金强度与塑性的同步显著提高，降低合金开裂敏感性，使合金在各种状态均无裂纹产生，包括增材制造、长时间存放和热处理。本发明完全消除了镍基高温合金增材制造及后续过程的开裂问题，为发展增材制造用高性能镍基高温合金及增材制造用其它合金材料提供了一种新的方法。