納米陶瓷顆粒增強(qiáng)鎳基高溫合金復(fù)合材料及其激光3d打印成形方法
【專利說明】 納米陶瓷顆粒増強(qiáng)鎳基高溫合金復(fù)合材料及其激光3D打
印成形方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種顆粒增強(qiáng)鎳基合金構(gòu)件的成形方法，尤其是一種納米陶瓷顆粒增強(qiáng)鎳基高溫合金復(fù)合材料及其激光3D打印成形方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鎳基高溫合金具有較高的高溫強(qiáng)度、高溫蠕變強(qiáng)度、良好的疲勞性能、斷裂韌性、良好的抗氧化和抗腐蝕性等綜合性能，它在高溫下具有良好的組織穩(wěn)定性和使用可靠性，在整個高溫合金領(lǐng)域占有重要的地位，被廣泛地用來制造航空噴氣發(fā)動機(jī)、各種工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的最熱端部件。鎳基高溫合金是目前航空發(fā)動機(jī)熱端最主要使用的材料。航空發(fā)動機(jī)最重要的性能參數(shù)之一是推重比。隨著航空事業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)不斷追求更高的推重比。隨著推重比的增加，必然導(dǎo)致高性能航空發(fā)動機(jī)渦輪進(jìn)口溫度進(jìn)一步提高，解決發(fā)動機(jī)熱端部件材料的耐熱問題越來越凸顯其重要性。研宄表明，幾種冷卻方法組合使用，再加上防熱涂層，材料的耐熱能力可進(jìn)一步提高。但總的來看，鎳基高溫合金的使用溫度已達(dá)到0.SlTffl (Tm為材料的熔點(diǎn))，正在接近其極限，對于提高航空發(fā)動機(jī)熱效率可挖掘的潛力已經(jīng)非常有限，不能夠滿足發(fā)動機(jī)使用溫度日益提高的要求。陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)、比模量、耐高溫、熱膨脹系數(shù)小、抗磨損、抗腐蝕、尺寸穩(wěn)定性好等性能優(yōu)點(diǎn)，并具有材料的可設(shè)計性。其中，納米顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料能夠在提高強(qiáng)度和硬度等力學(xué)性能的同時保持良好的韌性、高溫蠕變性和抗疲勞強(qiáng)度，所以用納米陶瓷顆粒增強(qiáng)鎳基高溫合金能顯著提高合金的各項性能。CrC陶瓷增強(qiáng)相具有硬度高、熔點(diǎn)高、化學(xué)穩(wěn)定性好、高模量、與金屬的膨脹系數(shù)差小等特點(diǎn)，并可提高合金的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度，將得到適用于熱端部件的優(yōu)異綜合性能。
[0003]納米陶瓷顆粒增強(qiáng)鎳基高溫合金的制備比微米級和亞微米級的要復(fù)雜和困難的多。主要難點(diǎn)在于:①巨大的比表面所產(chǎn)生的表面能使具有納米尺寸的物體之間存在極強(qiáng)的團(tuán)聚作用，而且陶瓷顆粒與基體金屬密度差異大，易引發(fā)團(tuán)聚，降低增強(qiáng)相顆粒對基體金屬的強(qiáng)化效應(yīng)；②納米陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料在高溫制備時勢必會發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)。陶瓷材料的高熔點(diǎn)以及其與基體材料的低潤濕性和較大線膨脹系數(shù)差異會導(dǎo)致界面結(jié)合問題。目前納米陶瓷顆粒增強(qiáng)鎳基高溫合金傳統(tǒng)加工方法主要有粉末冶金法、鑄造、噴射沉積法、原位復(fù)合法等。粉末冶金法將合金粉末和增強(qiáng)顆粒經(jīng)過高能球磨法均勻混合，經(jīng)去氣、成型，然后燒結(jié)成所需形狀零件。然而采用機(jī)械合金化法得到的納米粉末存在巨大的表面能和晶格畸變能，這些能量經(jīng)受傳統(tǒng)燒結(jié)方法的高溫、在長時間燒結(jié)過程中得以充分釋放，從而導(dǎo)致晶粒迅速長大，難以保持原有納米顆粒的尺寸和特性。同時，粉末冶金法工藝復(fù)雜，生產(chǎn)效率低，基體金屬易氧化，納米顆粒與基體間均勻分散困難；鑄造不能兼顧陶瓷增強(qiáng)顆粒的均勻性與含量，陶瓷顆粒極易偏聚，成形部件性能較差，易帶鑄造缺陷；湖南大學(xué)的嚴(yán)紅革等人采用噴射沉積法成形陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料(專利公開號CN 101775527 B)，將金屬熔體和陶瓷增強(qiáng)相顆粒在霧化器內(nèi)混合，然后霧化噴射到水冷的基體上成型。該方法由于金屬熔體和陶瓷增強(qiáng)相顆粒接觸的時間極短，能有效地控制界面化學(xué)反應(yīng)。但是也存在著孔隙率高、原材料損失大等缺陷；華北電力大學(xué)的劉宗德等人采用熔鑄法原位反應(yīng)合成TiCz顆粒增強(qiáng)鎳基復(fù)合材料(專利公開號CN 101649398 B)。原位復(fù)合法能很好地解決增強(qiáng)體與金屬基體之間的潤濕性和界面問題，但是工藝過程要求嚴(yán)格，很難掌握，增強(qiáng)相的成分和體積分?jǐn)?shù)較難控制，難以避免其他副反應(yīng)夾雜物的存在；哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張幸紅等人利用自蔓延高溫燃燒合成(SHS)結(jié)合熱等靜壓制備TiC-Ni基金屬陶瓷材料，該方法受技術(shù)設(shè)備限制，只能制備Ni含量較低的復(fù)合材料而且難以制備形狀復(fù)雜的工件，成形件致密度低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供一種具有優(yōu)異高溫性能的納米陶瓷顆粒增強(qiáng)鎳基復(fù)合材料及其激光3D打印成形方法，能改善顆粒團(tuán)聚和界面結(jié)合問題，任意成形任何復(fù)雜零件，無需工裝夾具或模具的支持，材料利用率高。
[0005]為實(shí)現(xiàn)以上的技術(shù)目的，本發(fā)明將采取以下的技術(shù)方案:
一種納米陶瓷顆粒增強(qiáng)鎳基高溫合金復(fù)合材料，包括復(fù)合材料基體以及增強(qiáng)相，所述的復(fù)合材料基體是粒徑為15~45 μπι的镲基高溫合金；所述增強(qiáng)相是粒徑為40~100nm的CrC ;其中，CrC添加的重量百分比為復(fù)合材料基體的2.0-8.0%。
[0006]所述鎳基高溫合金的粒徑為15~30 μ m ；CrC的粒徑為40~60nm ;且CrC添加的重量百分比為復(fù)合材料基體的2.0~6%。
[0007]所述鎳基高溫合金的粒徑為15~30 μ m ；CrC的粒徑為60~100nm ;且CrC添加的重量百分比為復(fù)合材料基體的6.0-8.0%。
[0008]本發(fā)明的另一技術(shù)目的是提供一種上述納米陶瓷顆粒增強(qiáng)鎳基高溫合金復(fù)合材料的激光3D打印成形方法，包括以下步驟:
(1)在鎳基高溫合金中加入CrC納米陶瓷顆粒，以滿足成形零件的性能要求；
(2)使用高能球磨機(jī)對步驟(I)中的混合粉末進(jìn)行高能球磨，獲得均勻混合的粉末；
(3)在計算機(jī)上建立所要成形零件的三維CAD模型；利用軟件將模型切片分層，得到一系列二維平面，確定激光掃描路線；將成形缸基板水平固定在平臺上，密封裝置中充入氬氣作為保護(hù)氣體；采用高能激光束對基板重復(fù)掃描進(jìn)行預(yù)熱，然后通過自動鋪粉設(shè)備，將經(jīng)球磨混料處理后的混合粉末均勻地鋪在成形缸基板上，鋪粉厚度為50~70 μπι;通過數(shù)控成形系統(tǒng)，利用聚焦的高能激光束對鋪在成形缸基板上的均勻混合粉末按規(guī)定路線往復(fù)掃描使其快速熔化凝固成形；然后不斷重復(fù)鋪粉、激光掃描的步驟，實(shí)現(xiàn)逐層鋪粉，逐層熔凝堆積，層層疊加，直至形成三維零件；成形結(jié)束后，冷卻到室溫后取出
球磨過程中，需要加入保護(hù)氣體氬氣以及磨球；且球磨參數(shù)為:球料比為5: 1-4: 1，球磨轉(zhuǎn)速為150~200rpm，球磨時間為4~5h。
[0009]步驟(3)的激光工藝參數(shù)如下:激光光斑直徑70~100 μπι，激光功率120~160W，激光掃描速率300~500mm/s，激光掃描間距50~90 μπι。
[0010]根據(jù)以上的技術(shù)方案，相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下的優(yōu)點(diǎn):
納米CrC顆?；祀s增強(qiáng)鎳基高溫合金的復(fù)合材料零件具有良好的高溫耐腐蝕性、耐磨損性、高溫蠕變性等性能優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足航空發(fā)動機(jī)熱端部件在高溫下的特殊性能要求。本發(fā)明使用的高能激光成形方法適用于難加工材料的制備和復(fù)雜零件的成形；無需成形模具，縮短了制造周期和成本；成形過程中的液相熔池存在時間較短，冷卻速率約為105~106K/So由于凝固速度很快，晶粒來不及長大，仍然保持有納米顆粒的特性，所制造的零件組織細(xì)小致密，且力學(xué)性能優(yōu)異。
【具體實(shí)施方式】
[0011 ] 下面結(jié)合各【具體實(shí)施方式】，進(jìn)一步闡明本發(fā)明。應(yīng)理解下述【具體實(shí)施方式】僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。
[0012]實(shí)施例1
原始粉末材料是粒徑為15~45 μπι的鎳基高溫合金，其為規(guī)則球形的氣體霧化粉末；平均粒徑為50nm的CrC不規(guī)則多角形粉末。鎳基高溫合金的組分為: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)。增強(qiáng)相Cr重量百分比分別為2.5%。首先，將混合粉末進(jìn)行球磨混料處理:采用Pulverisette6單罐行星式高能球磨機(jī)對混合粉末進(jìn)行高能球磨。在球磨混粉過程中，為了避免粉體被氧化，需要加入