纳米陶瓷颗粒增强镍基高温合金复合材料及其激光3d打印成形方法
【专利说明】 纳米陶瓷颗粒増强镍基高温合金复合材料及其激光3D打
印成形方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种颗粒增强镍基合金构件的成形方法，尤其是一种纳米陶瓷颗粒增强镍基高温合金复合材料及其激光3D打印成形方法。
【背景技术】
[0002]镍基高温合金具有较高的高温强度、高温蠕变强度、良好的疲劳性能、断裂韧性、良好的抗氧化和抗腐蚀性等综合性能，它在高温下具有良好的组织稳定性和使用可靠性，在整个高温合金领域占有重要的地位，被广泛地用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机的最热端部件。镍基高温合金是目前航空发动机热端最主要使用的材料。航空发动机最重要的性能参数之一是推重比。随着航空事业的发展，现代航空发动机不断追求更高的推重比。随着推重比的增加，必然导致高性能航空发动机涡轮进口温度进一步提高，解决发动机热端部件材料的耐热问题越来越凸显其重要性。研宄表明，几种冷却方法组合使用，再加上防热涂层，材料的耐热能力可进一步提高。但总的来看，镍基高温合金的使用温度已达到0.SlTffl (Tm为材料的熔点)，正在接近其极限，对于提高航空发动机热效率可挖掘的潜力已经非常有限，不能够满足发动机使用温度日益提高的要求。陶瓷颗粒增强金属基复合材料具有高比强、比模量、耐高温、热膨胀系数小、抗磨损、抗腐蚀、尺寸稳定性好等性能优点，并具有材料的可设计性。其中，纳米颗粒增强的金属基复合材料能够在提高强度和硬度等力学性能的同时保持良好的韧性、高温蠕变性和抗疲劳强度，所以用纳米陶瓷颗粒增强镍基高温合金能显著提高合金的各项性能。CrC陶瓷增强相具有硬度高、熔点高、化学稳定性好、高模量、与金属的膨胀系数差小等特点，并可提高合金的抗拉强度及屈服强度，将得到适用于热端部件的优异综合性能。
[0003]纳米陶瓷颗粒增强镍基高温合金的制备比微米级和亚微米级的要复杂和困难的多。主要难点在于:①巨大的比表面所产生的表面能使具有纳米尺寸的物体之间存在极强的团聚作用，而且陶瓷颗粒与基体金属密度差异大，易引发团聚，降低增强相颗粒对基体金属的强化效应；②纳米陶瓷颗粒增强金属基复合材料在高温制备时势必会发生严重的界面反应。陶瓷材料的高熔点以及其与基体材料的低润湿性和较大线膨胀系数差异会导致界面结合问题。目前纳米陶瓷颗粒增强镍基高温合金传统加工方法主要有粉末冶金法、铸造、喷射沉积法、原位复合法等。粉末冶金法将合金粉末和增强颗粒经过高能球磨法均匀混合，经去气、成型，然后烧结成所需形状零件。然而采用机械合金化法得到的纳米粉末存在巨大的表面能和晶格畸变能，这些能量经受传统烧结方法的高温、在长时间烧结过程中得以充分释放，从而导致晶粒迅速长大，难以保持原有纳米颗粒的尺寸和特性。同时，粉末冶金法工艺复杂，生产效率低，基体金属易氧化，纳米颗粒与基体间均匀分散困难；铸造不能兼顾陶瓷增强颗粒的均匀性与含量，陶瓷颗粒极易偏聚，成形部件性能较差，易带铸造缺陷；湖南大学的严红革等人采用喷射沉积法成形陶瓷颗粒增强铝基复合材料(专利公开号CN 101775527 B)，将金属熔体和陶瓷增强相颗粒在雾化器内混合，然后雾化喷射到水冷的基体上成型。该方法由于金属熔体和陶瓷增强相颗粒接触的时间极短，能有效地控制界面化学反应。但是也存在着孔隙率高、原材料损失大等缺陷；华北电力大学的刘宗德等人采用熔铸法原位反应合成TiCz颗粒增强镍基复合材料(专利公开号CN 101649398 B)。原位复合法能很好地解决增强体与金属基体之间的润湿性和界面问题，但是工艺过程要求严格，很难掌握，增强相的成分和体积分数较难控制，难以避免其他副反应夹杂物的存在；哈尔滨工业大学的张幸红等人利用自蔓延高温燃烧合成(SHS)结合热等静压制备TiC-Ni基金属陶瓷材料，该方法受技术设备限制，只能制备Ni含量较低的复合材料而且难以制备形状复杂的工件，成形件致密度低。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种具有优异高温性能的纳米陶瓷颗粒增强镍基复合材料及其激光3D打印成形方法，能改善颗粒团聚和界面结合问题，任意成形任何复杂零件，无需工装夹具或模具的支持，材料利用率高。
[0005]为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案:
一种纳米陶瓷颗粒增强镍基高温合金复合材料，包括复合材料基体以及增强相，所述的复合材料基体是粒径为15~45 μπι的镲基高温合金；所述增强相是粒径为40~100nm的CrC ;其中，CrC添加的重量百分比为复合材料基体的2.0-8.0%。
[0006]所述镍基高温合金的粒径为15~30 μ m ；CrC的粒径为40~60nm ;且CrC添加的重量百分比为复合材料基体的2.0~6%。
[0007]所述镍基高温合金的粒径为15~30 μ m ；CrC的粒径为60~100nm ;且CrC添加的重量百分比为复合材料基体的6.0-8.0%。
[0008]本发明的另一技术目的是提供一种上述纳米陶瓷颗粒增强镍基高温合金复合材料的激光3D打印成形方法，包括以下步骤:
(1)在镍基高温合金中加入CrC纳米陶瓷颗粒，以满足成形零件的性能要求；
(2)使用高能球磨机对步骤(I)中的混合粉末进行高能球磨，获得均匀混合的粉末；
(3)在计算机上建立所要成形零件的三维CAD模型；利用软件将模型切片分层，得到一系列二维平面，确定激光扫描路线；将成形缸基板水平固定在平台上，密封装置中充入氩气作为保护气体；采用高能激光束对基板重复扫描进行预热，然后通过自动铺粉设备，将经球磨混料处理后的混合粉末均匀地铺在成形缸基板上，铺粉厚度为50~70 μπι;通过数控成形系统，利用聚焦的高能激光束对铺在成形缸基板上的均匀混合粉末按规定路线往复扫描使其快速熔化凝固成形；然后不断重复铺粉、激光扫描的步骤，实现逐层铺粉，逐层熔凝堆积，层层叠加，直至形成三维零件；成形结束后，冷却到室温后取出
球磨过程中，需要加入保护气体氩气以及磨球；且球磨参数为:球料比为5: 1-4: 1，球磨转速为150~200rpm，球磨时间为4~5h。
[0009]步骤(3)的激光工艺参数如下:激光光斑直径70~100 μπι，激光功率120~160W，激光扫描速率300~500mm/s，激光扫描间距50~90 μπι。
[0010]根据以上的技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下的优点:
纳米CrC颗粒混杂增强镍基高温合金的复合材料零件具有良好的高温耐腐蚀性、耐磨损性、高温蠕变性等性能优点，能够满足航空发动机热端部件在高温下的特殊性能要求。本发明使用的高能激光成形方法适用于难加工材料的制备和复杂零件的成形；无需成形模具，缩短了制造周期和成本；成形过程中的液相熔池存在时间较短，冷却速率约为105~106K/So由于凝固速度很快，晶粒来不及长大，仍然保持有纳米颗粒的特性，所制造的零件组织细小致密，且力学性能优异。
【具体实施方式】
[0011 ] 下面结合各【具体实施方式】，进一步阐明本发明。应理解下述【具体实施方式】仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
[0012]实施例1
原始粉末材料是粒径为15~45 μπι的镍基高温合金，其为规则球形的气体雾化粉末；平均粒径为50nm的CrC不规则多角形粉末。镍基高温合金的组分为:21%Cr、5%Fe、0.4%T1、
0.4% Al,4.15%Nb、8%Mo、0.1%C和余量Ni(重量百分比)。增强相Cr重量百分比分别为2.5%。首先，将混合粉末进行球磨混料处理:采用Pulverisette6单罐行星式高能球磨机对混合粉末进行高能球磨。在球磨混粉过程中，为了避免粉体被氧化，需要加入