阅读说明：本技术 一种高铬镍基高温合金及其制备方法与应用 (High-chromium-nickel-based high-temperature alloy and preparation method and application thereof ) 是由 常保华 王开明 都东 刘冠 蒲泽 于 2019-11-15 设计创作，主要内容包括：本发明涉及先进制造和高温合金领域,尤其涉及一种高铬镍基高温合金及其制备方法与应用；以质量百分比计,所述高铬镍基高温合金中含有Cr 30～35％,Ti 1～2％,Al 1～2％,Ta 2～3％,Nb 1～2％,Mo 2.5～3.5％,W 4～5％,Fe 0.2～0.5％,C 0.005～0.03％,B 0.003～0.01％,Y 0.003～0.01％,余量为Ni；本发明通过激光增材制造方法制备得到高铬镍基高温合金,通过对激光增材制造工艺参数的优化、以及在激光增材制造过程中使用液氩同步激冷的方式进行冷却,降低热应力以减少激光增材制造过程中的工件变形和裂纹,实现了高性能高铬镍基高温合金的近净成型,得到了综合性能优异的高铬镍基高温合金。所述高铬镍基高温合金适用于航空航天、石油化工、核电工业等领域。(The invention relates to the field of advanced manufacturing and high-temperature alloy, in particular to a high-chromium-nickel-based high-temperature alloy and a preparation method and application thereof; the high-chromium nickel-based high-temperature alloy comprises, by mass, 30-35% of Cr, 1-2% of Ti, 1-2% of Al, 2-3% of Ta, 1-2% of Nb, 2.5-3.5% of Mo, 4-5% of W, 0.2-0.5% of Fe, 0.005-0.03% of C, 0.003-0.01% of B, 0.003-0.01% of Y and the balance of Ni; the high-chromium nickel-based high-temperature alloy is prepared by the laser additive manufacturing method, and the high-chromium nickel-based high-temperature alloy with excellent comprehensive performance is obtained by optimizing the laser additive manufacturing process parameters and cooling in a liquid argon synchronous chilling mode in the laser additive manufacturing process to reduce the thermal stress so as to reduce the workpiece deformation and cracks in the laser additive manufacturing process, thereby realizing the near-net forming of the high-performance high-chromium nickel-based high-temperature alloy. The high-chromium nickel-based high-temperature alloy is suitable for the fields of aerospace, petrochemical industry, nuclear power industry and the like.)

一种高铬镍基高温合金及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及先进制造和高温合金领域，尤其涉及一种高铬镍基高温合金及其制备方法与应用。

背景技术

镍基高温合金由于具有优异的综合性能被广泛应用于航空航天、石油化工和核电工业等领域，特别是航空发动机和燃气轮机的关键热端部件的制造(目前主要的制备工艺为铸造和塑性成形制造等)。然而高温合金中含有大量的难熔金属合金元素，加工难度大、制造工艺复杂，对于形状复杂的零件制造难度更大，严重制约了镍基高温合金在工业以及国防领域的应用。

航空发动机的关键承热部件(如燃烧室等)，工作温度可达800～900℃，承受的热应力较大；因此，制造此类关键热端部件的材料需要具有抗高温氧化性、耐蚀性能、优良的高温力学性能、以及长时间高温工作的组织稳定性。通常情况下提高Cr含量能够提高合金的抗高温氧化和耐蚀性，但是Cr含量高于30％会产生富Cr的α-Cr相，而该相会限制合金的高温性能和热加工性能；如何进一步提高合金的高温性能和热加工性能是本领域技术人员亟需解决的技术难题。

CN200810112416.7公开了一种由富铬析出相强化的高铬镍基高温合金及其制备方法，该发明提出了一种Cr含量为35-40％的富铬铸造高温合金，通过适当的热处理可以控制α-Cr相的析出形貌，使合金拥有良好的抗高温氧化和抗腐蚀性能。但是该发明的合金是通过铸造方法制备，即需要通过后续塑性成形和热处理才能加工成关键热端部件，进而导致高铬镍基高温合金的热加工性能不好，部件的成品低。

激光增材制造技术是一种将激光熔覆和快速原型制造相结合发展起来的一种新型制造技术，它属于无模成形，不涉及模具制造问题，降低了制造成本且生产效率高；柔性化程度高，可实现大尺寸零件的制造；可以实现整个制造过程的闭环控制，可以通过反馈控制实现高精度加工及加工过程的自动化。因此，可用于镍基高温合金部件的高效制备。

CN109967742A公开了一种镍基高温合金及其制备方法，具体公开了一种激光增材制造GH4169合金的方法，该方法能够提升GH4169合金的拉伸力学性能；但是激光增材制造过程由于热量主要是通过基体向外散热，随着层数的增加，热量逐渐累加，导致热应力逐渐累加以及晶粒尺寸变大，金属构件容易由于热应力而产生变形和开裂，进而影响金属构件的形状和性能。因此，如何有效降低激光增材制造过程中的变形和开裂问题也是本领域技术人员所面临的难题。

CN209077788U公开了一种适用于激光增材制造的同步水冷系统，用于激光增材制造的同步冷却；但是上述水冷系统使用的是循环水进行冷却，对大尺寸部件的增材制造过程中大量的热积累的减少效果有限。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种(激光增材制造的)高铬镍基高温合金；所述高铬镍基高温合金中Cr含量高于30％，但其高温性能优异，同时该高温合金变形小、致密度高、晶粒度均一且尺寸合适、抗高温氧化和抗腐蚀性优异。

具体而言，以质量百分比计，所述高铬镍基高温合金中含有Cr 30～35％，Ti 1～2％，Al 1～2％，Ta 2～3％，Nb 1～2％，Mo 2.5～3.5％，W 4～5％，Fe 0.2～0.5％，C0.005～0.03％，B 0.003～0.01％，Y 0.003～0.01％，余量为Ni。

为了进一步提高所述高铬镍基高温合金的性能，本发明对其中各元素的质量百分比进行优化，具体如下：

作为优选，以质量百分比计，所述高铬镍基高温合金中含有Cr 32～35％，Ti 1.1～1.7％，Al 1.2～1.6％，Ta 2.1～2.2％，Nb 1.4～1.9％，Mo 2.5～3.3％，W 4.1～4.6％，Fe 0.3～0.5％，C 0.01～0.03％，B 0.007～0.009％，Y 0.005～0.008％，余量为Ni。

作为本发明的较佳技术方案，以质量百分比计，所述高铬镍基高温合金中含有Cr32.6％，Ti 1.14％，Al 1.23％，Ta 2.13％，Nb 1.43％，Mo 2.79％，W 4.57％，Fe 0.32％，C0.014％，B 0.009％，Y 0.008％，余量为Ni；

作为本发明的较佳技术方案，以质量百分比计，所述高铬镍基高温合金中含有Cr34.3％，Ti 1.46％，Al 1.28％，Ta 2.14％，Nb 1.78％，Mo 3.23％，W 4.38％，Fe 0.39％，C0.013％，B 0.008％，Y 0.005％，余量为Ni；

作为本发明的较佳技术方案，以质量百分比计，所述高铬镍基高温合金中含有Cr33.7％，Ti 1.67％，Al 1.56％，Ta 2.1％，Nb 1.89％，Mo 2.59％，W 4.15％，Fe 0.42％，C0.023％，B 0.007％，Y 0.005％，余量为Ni。

本发明所述的高铬镍基高温合金，以Ni为基体，Cr含量为30～35％，提高合金的高温抗氧化性和高温耐蚀性；Ti和Al的含量低于5％，使合金具有较好的可焊性；少量的Ta提高合金的高温强度；Nb可降低形成应变时效裂纹的倾向；Mo可细化晶粒和提高合金的热稳定性；W可提高合金的强度；Y可以加强沉淀效果；由此可见，本发明通过各元素之间的协同增效，实现了高铬镍基高温合金的优异性能。

此外，本发明通过对高铬镍基高温合金的制备工艺进行优化，使其特别适合在900℃以下使用的抗氧化和耐腐蚀合金部件。具体地，本发明同时提供上述高铬镍基高温合金的制备方法，包括如下步骤：

(1)取各元素的原料进行真空熔炼后，经气雾化法制得高铬镍基高温合金粉末；

(2)清理增材用基材表面；

(3)设置激光扫描路径为“Z”字形路径；

(4)激光增材制造装置前设置冷却装置，激光增材制造与冷却同时进行。

进一步的，本发明通过大量试验发现激光增材制造的较佳工艺参数，具体而言，所述激光增材制造的工艺参数为：激光功率0.5～3kW，扫描速度100～800mm/min，送粉率5～30g/min，搭接率30～60％，层间高度0.4～1.2mm，离焦量为0～50mm，光斑尺寸为1～5mm，保护气流量为10～30L/min。

其中，送粉的方式为同步送粉或侧向送粉。

本发明在激光增材制造装置前设置冷却装置，通过随动激冷式的激光增材制造方法、以及特定的激光增材制造的工艺参数，可以降低成形过程中由于热积累导致的热应力，减少成形件的变形，进而获得低应力、变形小、无裂纹的高铬镍基高温合金。

作为优选，所述冷却装置由增压气体罐、保温隔热软管、冷却喷嘴组成；增压气体罐与所述激光增材制造装置连接，保温隔热软管将增压气体罐与冷却碰嘴连接。

作为优选，所述冷却喷嘴与所述激光增材制造的激光头之间的角度为30°～90°，所述增压气体罐的液氩流量为5～20L/min。

作为优选，所述高铬镍基高温合金粉末的粒度为45～110μm。

作为优选，所述光斑为矩形光斑或圆形光斑。

本发明还提供上述高铬镍基高温合金或上述制备方法在航空航天、石油化工、核电工业中的应用。

本发明的有益效果：

(1)本发明所述的高铬镍基高温合金变形小、致密度高、晶粒度均一且尺寸合适、抗高温氧化和抗腐蚀性优异；

(2)本发明通过激光增材制造方法制备得到高铬镍基高温合金，通过对激光增材制造工艺参数的优化、以及在激光增材制造过程中使用液氩同步激冷的方式进行冷却，降低热应力以减少激光增材制造过程中的工件变形和裂纹，实现了高性能高铬镍基高温合金的近净成型，得到了综合性能优异的高铬镍基高温合金。

附图说明

图1为冷却喷嘴的示意图；图中：1、连接激光头结构；2、冷却喷嘴。

图2为实施例1所制得的高铬镍基高温合金的显微组织图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

本实施例提供一种高铬镍基高温合金，所述高铬镍基高温合金中含有Cr 32.6％，Ti 1.14％，Al 1.23％，Ta 2.13％，Nb 1.43％，Mo 2.79％，W 4.57％，Fe 0.32％，C0.014％，B 0.009％，Y 0.008％，余量为Ni。

本实施例还提供上述高铬镍基高温合金的制备方法，包括如下步骤：

(1)取各元素的原料进行真空熔炼后，经气雾化法制得高铬镍基高温合金粉末(粒度为45～110μm)；

(2)将增材用基材表面先用角磨机进行处理，然后用丙酮和酒精清洗干净；

(3)设置激光扫描路径为“Z”字形路径；

(4)激光增材制造装置前设置冷却装置(如图1所示)，激光增材制造与冷却同时进行；

其中，所述激光增材制造的工艺参数为：激光功率3kW，扫描速度600mm/min，送粉率15g/min，搭接率50％，层间高度1.2mm，离焦量为0mm，光斑为5×5mm的方形光斑，保护气流量为15L/min；

所述冷却装置由增压气体罐、保温隔热软管、冷却喷嘴组成；增压气体罐与所述激光增材制造装置连接，保温隔热软管将增压气体罐与冷却碰嘴连接；所述冷却喷嘴与所述激光增材制造的激光头之间的角度为60°，所述增压气体罐的液氩流量为20L/min。

本实施例所得的高铬镍基高温合金变形量小、致密度高、缺陷少；其显微组织图如图2所示，该合金主要的强化相为α-Cr相；所述高铬镍基高温合金的硬度为240.6HV，抗拉强度为928.5MPa，900℃下的平均氧化率为0.087g/m²·h。

实施例2

本实施例提供一种高铬镍基高温合金，所述高铬镍基高温合金中含有Cr 34.3％，Ti 1.46％，Al 1.28％，Ta 2.14％，Nb 1.78％，Mo 3.23％，W 4.38％，Fe 0.39％，C0.013％，B 0.008％，Y 0.005％，余量为Ni。

本实施例还提供上述高铬镍基高温合金的制备方法，包括如下步骤：

(1)取各元素的原料进行真空熔炼后，经气雾化法制得高铬镍基高温合金粉末(粒度为45～110μm)；

(2)将增材用基材表面先用角磨机进行处理，然后用丙酮和酒精清洗干净；

(3)设置激光扫描路径为“Z”字形路径；

(4)激光增材制造装置前设置冷却装置(如图1所示)，激光增材制造与冷却同时进行；

其中，所述激光增材制造的工艺参数为：激光功率1.8kW，扫描速度420mm/min，送粉率12g/min，搭接率30％，层间高度0.7mm，离焦量为+10mm，光斑为1×3mm的矩形光斑，保护气流量为12L/min；

所述冷却装置由增压气体罐、保温隔热软管、冷却喷嘴组成；增压气体罐与所述激光增材制造装置连接，保温隔热软管将增压气体罐与冷却碰嘴连接；所述冷却喷嘴与所述激光增材制造的激光头之间的角度为45°，所述增压气体罐的液氩流量为15L/min。

本实施例所得的高铬镍基高温合金变形量小、致密度高、缺陷少；所述高铬镍基高温合金的硬度为235.8HV，抗拉强度为917.9MPa，900℃下的平均氧化率为0.082g/m²·h。

实施例3

本实施例提供一种高铬镍基高温合金，所述高铬镍基高温合金中含有Cr 33.7％，Ti 1.67％，Al 1.56％，Ta 2.1％，Nb 1.89％，Mo 2.59％，W 4.15％，Fe 0.42％，C0.023％，B 0.007％，Y 0.005％，余量为Ni

本实施例还提供上述高铬镍基高温合金的制备方法，包括如下步骤：

(1)取各元素的原料进行真空熔炼后，经气雾化法制得高铬镍基高温合金粉末(粒度为45～110μm)；

(2)将增材用基材表面先用角磨机进行处理，然后用丙酮和酒精清洗干净；

(3)设置激光扫描路径为“Z”字形路径；

(4)激光增材制造装置前设置冷却装置(如图1所示)，激光增材制造与冷却同时进行；

其中，所述激光增材制造的工艺参数为：激光功率0.8kW，扫描速度240mm/min，送粉率8g/min，搭接率60％，层间高度0.5mm，离焦量为+30mm，光斑为3mm的圆形光斑，保护气流量为10L/min；

所述冷却装置由增压气体罐、保温隔热软管、冷却喷嘴组成；增压气体罐与所述激光增材制造装置连接，保温隔热软管将增压气体罐与冷却碰嘴连接；所述冷却喷嘴与所述激光增材制造的激光头之间的角度为80°，所述增压气体罐的液氩流量为10L/min。

本实施例所得的高铬镍基高温合金变形量小、致密度高、缺陷少；所述高铬镍基高温合金的硬度为263.2HV，抗拉强度为907.2MPa，900℃下的平均氧化率为0.079g/m²·h。

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。