具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明公开内容理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

术语

除非另外说明或存在矛盾之处，本发明中使用的术语或短语具有以下含义：

本文所使用的术语“和/或”、“或/和”、“及/或”的可选范围包括两个或两个以上相关所列项目中任一个项目，也包括相关所列项目的任意的和所有的组合，所述任意的和所有的组合包括任意的两个相关所列项目、任意的更多个相关所列项目、或者全部相关所列项目的组合。

本发明中，“一种或几种”指所列项目的任一种、任两种或任两种以上。其中，“几种”指任两种或任两种以上。

本发明中，所使用的“其组合”、“其任意组合”、“其任意组合方式”等中包括所列项目中任两个或任两个以上项目的所有合适的组合方式。

本发明中，“合适的组合方式”、“合适的方式”、“任意合适的方式”等中所述“合适”，以能够实施本发明的技术方案、解决本发明的技术问题、实现本发明预期的技术效果为准。

本发明中，“优选”仅为描述效果更好的实施方式或实施例，应当理解，并不构成对本发明保护范围的限制。

本发明中，以开放式描述的技术特征中，包括所列举特征组成的封闭式技术方案，也包括包含所列举特征的开放式技术方案。

本发明中，涉及到数值区间，如无特别说明，则包括数值区间的两个端点。

本发明中涉及的百分比含量，如无特别说明，对于固液混合和固相-固相混合均指质量百分比，对于液相-液相混合指体积百分比。

本发明中，涉及的百分比浓度，如无特别说明，均指终浓度。所述终浓度，指添加成分在添加该成分后的体系中的占比。

本发明中，涉及的温度参数，如无特别限定，既允许为恒温处理，也允许在一定温度区间内进行处理。所述的恒温处理允许温度在仪器控制的精度范围内进行波动。

增材制造：增材制造(Additive Manufacturing,AM)，也称“3D打印”，是一种将金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。

激光选区熔化：激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)是金属3D打印技术的一种，其工作原理为：计算机将物体的三维数据转化为一层层截面的2D数据并传输给打印机，打印过程中，在基板上用刮刀铺上设定层厚的金属粉末，聚焦的激光在扫描振镜的控制下按照事先规划好的路径与工艺参数进行扫描，金属粉末在高能量激光的照射下其发生熔化，快速凝固，形成冶金结合层。当一层打印任务结束后，基板下降一个切片层厚高度，刮刀继续进行粉末铺平，激光扫描加工，重复这样的过程直至整个零件打印结束。

电子束熔化：电子束熔化(Electron Beam Melting,EBM)是一种金属增材制造技术，工作原理与SLM相似，主要区别是其使用高能电子束来熔化金属粉末。

由于镍基高温合金成分复杂，合金化程度极高，在增材制造过程中容易产生孔洞、裂纹等缺陷，成型性差，例如图1展示了一个方案中，以IN738LC(配方见表1)为原料，采用激光选区熔化(SLM)制备的镍基高温合金增材制造产品的表面形貌，明显可见，产品出现裂纹、孔洞等缺陷。这极大地限制了增材制造技术在高温合金领域中的应用。

基于此，本发明提供一种镍基高温合金，通过组分设计，从成分改进的角度，降低镍基高温合金在增材制造过程中产生孔洞、开裂的风险，拓宽镍基高温合金增材制造的工艺窗口，便于在工业上推广。

技术方案为：

一种镍基高温合金，由以下重量百分比的组分组成：

Co22～28％、Cr14～16％、W2.5～3.5％、Mo1.5～2.5％、Al3.0～3.4％、Ti1.8～2.2％、Ta0.8～1.2％、Nb1.8～2.2％、C不超过0.05％、B不超过0.01％、Si不超过0.5％和Ni余量。

本发明改进了镍基高温合金的成分，第一，通过调整Co、Al等元素的含量，降低合金在高温下的热膨胀系数，减小合金在增材制造过程中因剧烈的热膨胀和收缩引起的内应力；第二，在保证合金具有足够的抗开裂能力的同时，还通过调整W、Mo等固溶强化元素，Al、Ti、Nb等沉淀强化元素含量将γ′相含量控制在40％的水平，达到足够的沉淀强化效果，采用固溶强化和沉淀强化协调作用来保证合金足够的强韧性；第三，通过热力学计算和成分筛选，确定其他成分和用量。

为了降低镍基高温合金在增材制造过程中产生孔洞、开裂的风险。本发明从成分改进的角度出发，研究出了适用于增材制造的、且具有较宽的工艺窗口的镍基高温合金，它具有可成型性好、性能优异的特点，可用于增材制造工艺生产高温合金叶片、燃气轮机机匣、喷油嘴等关键高温部件。本发明改善了镍基高温合金在增材制造过程中易生孔洞、易开裂、成品率低的问题，使得镍基高温合金可以在较宽的3D打印工艺窗口中制备出高性能的高温合金部件，便于在工业上推广。

在一个优选的实施例中，所述的镍基高温合金由以下重量百分比的组分组成：

Co 22～28％、Cr 14～16％、W 2.5～3.5％、Mo 1.5～2.5％、Al 3.0～3.4％、Ti1.8～2.2％、Ta 0.8～1.2％、Nb 1～2.2％、C 0.001～0.05％、B 0.001～0.01％、Si不超过0.5％和Ni余量。

B、C等元素具有极强的界面偏析元素，它可以降低固/液界面能，促使凝固末期低熔点液相薄膜包覆在枝晶周围，降低枝晶间的结合强度，本发明通过调整C、B等晶界元素的含量，可进一步降低合金在凝固过程中的晶界开裂的风险。

在一个更优选的实施例中，所述的镍基高温合金由以下重量百分比的组分组成：

Co 24～27％、Cr 14～15％、W 2.5～3％、Mo 2～2.5％、Al 3.1～3.4％、Ti 1.8～2％、Ta 1～1.2％、Nb 1～2％、C 0.001～0.05％、B 0.005～0.01％、Si 0.001～0.5％和Ni余量。

加入微量Si能改善铸造镍基高温合金的铸造性能并提高其可焊性、耐磨性、抗氧化和抗腐蚀能力。本发明通过调整Si元素的含量，实现凝固过程中的晶粒细化，达到抗裂和晶界强化的双重效果。

本发明还提供上述镍基高温合金的制备方法。

技术方案为：

一种镍基高温合金的制备方法，参见图2，包括以下步骤：

参照上述重量百分比，取各组分的单质进行熔炼，制备合金件；

采用雾化制粉方法对所述合金件进行加工，制备粉末；

以所述粉末为主要原料，采用激光选区熔化方法或电子束熔化方法，制备镍基高温合金。

可以理解地，在镍基高温合金的制备过程中，所述合金件、所述粉末和所述镍基高温合金的成分基本不发生变化，在一个实施例中，合金件中各比例的成分可以转移到粉末中，粉末中各比例成分可转移到镍基高温合金中。

在其中一个实施例中，所述雾化制粉方法为氩气雾化法或旋转电极雾化法。

可以理解地，调整粉末的制备方法，可以调整所述粉末的粒径，在一个实施例中，所述粉末的粒径D50在30μm～40μm之间，可通过激光选区熔化方法制备增材制造产品。

在其中一个实施例中，所述激光选区熔化方法的工艺参数包括：基板预设温度为100～200℃，激光功率为200W～400W，粉末层厚为30μm～60μm，扫描速率为700mm/s～1500mm/s，扫描间距为0.03mm～0.15mm。

在一个实施例中，所述粉末的粒径D50在60μm～100μm之间，可通过电子束熔化方法制备增材制造产品。

在其中一个实施例中，所述电子束熔化方法的工艺参数包括：基板预热温度为800～1000℃，加速电压为50kV～70kV，粉末层厚为50μm～90μm，最大电流为16mA～20mA，扫描间距为0.05mm～0.20mm，扫描速度5m/s～8m/s。

上述镍基高温合金的制备方法，改善了镍基高温合金在增材制造过程中易生孔洞、易开裂、成品率低的问题，使得镍基高温合金可以在较宽的3D打印工艺窗口中制备出高性能的高温合金部件，便于在工业上推广，且具有效率高、流程短、成本低等技术优点。

可以理解地，采用激光选区熔化方法或电子束熔化方法制备镍基高温合金的步骤包括：先通过激光选区熔化方法或电子束熔化方法制备预制品，然后对所述预制品进行热处理和后续加工，制备镍基高温合金。

上述制备方法制备的镍基高温合金，它具有可成型性好、性能优异的特点，可用作为高温合金叶片、燃气轮机机匣、喷油嘴等关键高温部件，也可用作为生产航空发动机、燃气轮机中的高温合金部件。

以下结合具体实施例和对比例进行进一步说明，以下具体实施例中所涉及的原料，若无特殊说明，均可来源于市售，所使用的仪器，若无特殊说明，均可来源于市售。

实施例1

本实施例提供一种镍基高温合金及其制备方法，步骤如下：

1)按照表1所示各组分重量百分比，取各组分的单质进行熔炼，制备合金件；采用氩气雾化方法对所述合金件进行加工，制备本实施例的粉末。

2)通过筛分控制本实施例的粉末的粒度在50μm以内，且中位粒径D50＝35μm。

3)构建镍基高温合金制件的块体模型，准备成形前程序文件及加工工艺参数设置并导入增材制造设备，采用激光选区熔化方法进行加工。其中，选取激光选区熔化加工工艺参数为：基板预设温度为200℃，激光功率为220W，粉末层厚为30μm，扫描速率为800mm/s，扫描间距为0.1mm。

4)加工完成的镍基高温合金预制品依次进行热处理，机械加工和表面处理，得到镍基高温合金，其局部表面形貌图如图3(a)所示。其中，热处理过程为：以5℃/min的升温速率，将试样由室温升温至1100℃，然后保温12h后，空冷至室温；随后以5℃/min的升温速率将试样由室温升温至700℃，保温24h后空冷至室温。

实施例2

本实施例提供一种镍基高温合金及其制备方法，步骤如下：

1)按照表1所示各组分重量百分比，取各组分的单质进行熔炼，制备合金件；采用旋转电极雾化方法对所述合金件进行加工，制备本实施例的粉末。

2)通过筛分控制本实施例的粉末的粒度在150μm以内，且中位粒径D50＝75μm。

3)构建镍基高温合金制件的块体模型，准备成形前程序文件及加工工艺参数设置并导入增材制造设备，采用电子束熔化方法进行加工。其中，电子束熔化加工工艺参数为：基板预热温度为1000℃，加速电压为60kV，粉末层厚为75μm，最大电流为18mA，扫描间距为0.125mm，粉末层厚为75μm。

4)加工完成的镍基高温合金预制品依次进行热处理，机械加工和表面处理，得到镍基高温合金，其局部表面形貌图如图3(b)所示。其中，热处理过程为：以5℃/min的升温速率，将试样由室温升温至1100℃，然后保温12h后，空冷至室温；随后以5℃/min的升温速率将试样由室温升温至700℃，保温24h后空冷至室温。

对照组1：

本对照组以IN738LC合金为原料，采用激光选区熔化(SLM)制备的镍基高温合金，参照文献Michael Cloots,Peter J.Uggowitzer,Konrad Wegener,Investigations onthe microstructure and crack formation of IN738LC samples processed byselective laser melting using Gaussian and doughnut profiles,Materials&Design,89(2016)770-784。

对照组2

本对照组以IN625合金为原料，采用激光选区熔化(SLM)制备的镍基高温合金，参照文献Amato K.Comparison of microstructures and properties for a Ni-basesuperalloy(Alloy 625)fabricated by electron beam melting.J Mater Sci Res2012；1(2):3。

对照组3

本对照组以IN625合金为原料，采用电子束熔化方法(EBM)制备的镍基高温合金，参照文献Yadroitsev I,Thivillon L,Bertrand P,et al.Strategy of manufacturingcomponents with designed internal structure by selective laser melting ofmetallic powder[J].Applied Surface Science,2007,254(4):980-983。

表1

由图3可知，实施例1和实施例2的增材制造产品表面未出现裂纹、孔洞等明显缺陷，表明实施例1和实施例2的合金成分适用于增材制造工艺，具有较低的增材制造开裂的风险，具有良好的可打印性。

而对照组1以IN738LC为原料，采用激光选区熔化制备的镍基高温合金增材制造产品，产品出现裂纹、孔洞等缺陷合金。

说明本发明设计的组分配方，可以降低镍基高温合金合金在增材制造过程中产生孔洞、开裂的风险，所适用的工艺广。

分别测试实施例1、2所制备得到的增材制造产品室温拉伸性能，方法如下：按照标准ISO 7500-1-2018，沿着3D打印构建方向制备两个实施例合金拉伸试样，开展室温拉伸试验，拉伸速率取1mm/min，对比对照组2和3的3D打印制备的IN625合金的性能，结果见表2。

表2

由表2可知，实施例1和2制备的增材制造产品的力学性能也较好。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。