CN110468304A - 一种镍基合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种镍基合金及其制备方法。该镍基合金包括以下成分：C：0.05％‑0.15％、Cr：20.50％‑23.00％、Co：0.50％‑2.50％、Mo：8.00％‑10.00％、W：0.20％‑1.00％、Fe：17.00％‑20.00％、Si：≤1.00％、Mn：≤1.00％、Al：≤0.50％、Ti：≤0.15％、B：0.015％‑0.10％、Zr：0.01％‑0.30％、Ni：余量。本发明提供的合金900℃高温拉伸性能高。

Description

一种镍基合金及其制备方法
技术领域
本发明属于增材制造领域，具体地，涉及一种用于激光选区熔化技术的镍基合金及其制备方法。
背景技术
目前激光选区熔化技术(SLM)在不锈钢、钛合金、铝合金及高温合金领域已有一定程度的应用，相比传统制造工艺，SLM技术利用高能激光束依据零件三维模型的切片数据逐层熔化粉末材料，从而堆积成任意形状的高致密零件，SLM技术在复杂几何尺寸零件的制造具有明显的优势，具有快速制造、减少加工工艺、降低成本等优点。
但当前用于SLM技术的高温合金种类主要集中在固溶高温合金上，这类合金的性能已难以满足更高温度及新的需求要求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是，本发明的主要目的是提供一种新的适合SLM技术且满足更高温度要求的合金，这对SLM技术及应用领域都有重要意义。
本发明提供的技术方案为：一种镍基合金，包括以下成分：C：0.05％-0.15％、Cr：20.50％-23.00％、Co：0.50％-2.50％、Mo：8.00％-10.00％、W：0.20％-1.00％、Fe：17.00％-20.00％、Si：≤1.00％、Mn：≤1.00％、Al：≤0.50％、Ti：≤0.15％、B：0.015％-0.10％、Zr：0.01％-0.30％、Ni：余量。
在本发明的一些实施例中，B的含量为0.015％-0.05％。
在本发明的一些实施例中，B的含量为0.015％-0.02％。
在本发明的一些实施例中，Zr的含量为0.03％-0.20％。
在本发明的一些实施例中，Zr的含量为0.03％-0.10％。
本发明还提供了一种制备上述镍基合金的方法，包括步骤：
制粉：采用真空感应熔炼气雾化法制备合金粉末；
筛粉：对所述合金粉末进行筛分，选取合适粒径的粉末；
成型：采用激光选区熔化技术将选取的粉末制造成型，获得毛坯合金；
热处理：将所述毛坯合金进行固溶处理后获得所述镍基合金。
在本发明的一些实施例中，所述筛粉步骤选取的是粒径在15μm-45μm的粉末。
在本发明的一些实施例中，成型时激光参数为：激光功率400～200W，扫描速度800～1500mm/s，线间距0.06～0.13mm。
本发明提供的合金900℃高温拉伸性能高。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明一实施例制备镍基合金的工艺流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。
另需特别说明的是，本发明中，％指的是质量百分含量。
高温合金作为能在600℃以上的高温长期稳定服役的一类金属材料，具有较高的高温强度、良好的抗氧化和抗腐蚀性能、良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能，广泛应用于航空航天、燃气轮机等极端条件下。
本发明的镍基合金，包括以下成分：
C：0.05％-0.15％、Cr：20.50％-23.00％、Co：0.50％-2.50％、Mo：8.00％-10.00％、W：0.20％-1.00％、Fe：17.00％-20.00％、Si：≤1.00％、Mn：≤1.00％、Al：≤0.50％、Ti：≤0.15％、B：0.015％-0.10％、Zr：0.01％-0.30％、Ni：余量。
本发明通过Ni、C、Cr、Co、Mo、W、Fe、Si、Mn、Al、Ti、B和Zr等元素的协同作用，获得了具有900℃高温拉伸性能高且适用于SLM技术的新型镍基合金，能更有效推动SLM技术用高温合金的开发。
下面重点介绍一下本发明中元素B和Zr的作用：
本发明中，B元素偏析于晶界，能改善晶界第二相的形态和分布以及晶界附近的组织，尤其B能改善晶界碳化物密集不均匀分布的状态，因而对合金热强性有利，具有强化晶界的作用。此外，微量B主要在晶界偏聚，对合金的晶内析出影响不大。
本发明中，Zr元素偏聚到晶界，减少晶界缺陷，提高晶界强度，降低晶界扩散速率，从而减缓位错攀移，强化晶界。Zr的加入也可改善合金塑性，这与Zr在晶界偏聚有关，Zr原子降低晶界有序能，使晶界容易驰豫，增强晶界键合力，使晶界易于变形。同时，Zr的加入抑制M23C6的生长，使合金中碳化物趋向于生产稳定性更好、高温不容易长大的M6C碳化物，从而促进碳化物的强化效果。
本发明中，B的含量为0.015％-0.10％。过多的加入B容易形成硼化物，显著降低合金的初熔点。在本发明优选的实施例中，B的含量为0.015％-0.05％。在本发明进一步优选的实施例中，B的含量为0.015％-0.02％。
本发明中，Zr的含量为0.01％-0.30％。在本发明优选的实施例中，Zr的含量为0.03％-0.20％。在本发明更优选的实施例中，Zr的含量为0.03％-0.10％，发明人发现，当Zr的添加量超过0.10％时，虽然仍低于元素在合金中的溶解度，但在晶界处Zr含量其在合金中溶解度，晶界会形成Zr的化合物，导致晶界处产生严重畸变，可能导致晶界相界面处出现微裂纹或孔洞，部分抵消Zr的增益作用。
本发明的镍基合金在900℃的抗拉强度为270MPa，比现有增材制造常用合金性能高出较多。
图1为本发明制备上述镍基合金的方法，其包括S1-S4步骤：
S1(制粉)：采用有真空感应熔炼气雾化法(VIGA)制备高温合金粉末。
VIGA法采用坩埚熔炼合金材料，合金液经中间包底部导管流至雾化喷嘴处，被超音速气体冲击破碎，雾化成微米级尺度的细小熔滴，熔滴球化并凝固成粉末，具备制粉能耗低、细粉收得率、使用原材料更广泛等特点。
S2(筛粉)：对合金粉末进行筛分，选取合适粒径的粉末。
为了能在后续更好的成型及保证成型后合金的性能，需要选取合适粒径的粉末。在本发明优选的实施例中，筛粉步骤选取的是粒径在15μm-45μm的粉末，该粒度段粉末能保证打印后金属表面质量较高、铺粉效果较好、打印致密度较高。
S3(成型)：采用激光选区熔化技术将选取的粉末制造成型，获得毛坯合金。
本发明的新型镍基合金因兼具高强度、高塑性和优良的高温性能，故能用于SLM技术。
在本发明优选的实施例中，SLM激光参数为：激光功率400～200W，扫描速度800～1500mm/s，线间距0.06～0.13mm。
S4(热处理)：将毛坯合金进行固溶处理后获得镍基合金。
下面参考具体实施例，对本发明进行说明。下述实施例中所取工艺条件数值均为示例性的，其可取数值范围如前述发明内容中所示，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。下述实施例所用的检测方法均为本行业常规的检测方法。
实施例1
首先采用真空感应熔炼气雾化法制备合金粉末，合金粉末的成分如表1所示。
然后对合金粉末进行筛分，选取粒径在15μm-45μm的粉末。
采用激光选区熔化技术将选取的粉末制造成型，获得毛坯合金。激光功率400W，扫描速度1500mm/s，线间距0.13mm。
将毛坯合金进行固溶处理后获得试验用合金。固溶处理的温度为1750℃，时间为1h，空冷。
制备出的镍基合金的拉伸性能采用JMatPro软件模拟得出，900℃的拉伸性能结果请见表2。
实施例2
首先采用真空感应熔炼气雾化法制备合金粉末，合金粉末的成分如表1所示。
然后对合金粉末进行筛分，选取粒径在15μm-45μm的粉末。
采用激光选区熔化技术将选取的粉末制造成型，获得毛坯合金。激光功率300W，扫描速度1200mm/s，线间距0.11mm。
将毛坯合金进行固溶处理后获得镍基合金。固溶处理的温度为1750℃，时间为1h，空冷。
制备出的镍基合金的拉伸性能采用JMatPro软件模拟得出，900℃的拉伸性能结果请见表2。
实施例3
首先采用真空感应熔炼气雾化法制备合金粉末，合金粉末的成分如表1所示。
然后对合金粉末进行筛分，选取粒径在15μm-45μm的粉末。
采用激光选区熔化技术将选取的粉末制造成型，获得毛坯合金。激光功率200W，扫描速度1000mm/s，线间距0.06mm。
将毛坯合金进行固溶处理后获得镍基合金。固溶处理的温度为1750℃，时间为1h，空冷。
制备出的镍基合金的拉伸性能采用JMatPro软件模拟得出，900℃的拉伸性能结果请见表2。
实施例4
首先采用真空感应熔炼气雾化法制备合金粉末，合金粉末的成分如表1所示。
然后对合金粉末进行筛分，选取粒径在15μm-45μm的粉末。
采用激光选区熔化技术将选取的粉末制造成型，获得毛坯合金。激光功率250W，扫描速度800mm/s，线间距0.08mm。
将毛坯合金进行固溶处理后获得镍基合金。固溶处理的温度为1750℃，时间为1h，空冷。
制备出的镍基合金的拉伸性能采用JMatPro软件模拟得出，900℃的拉伸性能结果请见表2。
实施例5
首先采用真空感应熔炼气雾化法制备合金粉末，合金粉末的成分如表1所示。
然后对合金粉末进行筛分，选取粒径在15μm-45μm的粉末。
采用激光选区熔化技术将选取的粉末制造成型，获得毛坯合金。激光功率350W，扫描速度1100mm/s，线间距0.1mm。
将毛坯合金进行固溶处理后获得镍基合金。固溶处理的温度为1750℃，时间为1h，空冷。
制备出的镍基合金的拉伸性能采用JMatPro软件模拟得出，900℃的拉伸性能结果请见表2。
对比例1
首先采用真空感应熔炼气雾化法制备合金粉末，合金粉末的成分如表1所示。
然后对合金粉末进行筛分，选取粒径在15μm-45μm的粉末。
采用激光选区熔化技术将选取的粉末制造成型，获得毛坯合金。激光功率400W，扫描速度1500mm/s，线间距0.13mm。
将毛坯合金进行固溶处理后获得镍基合金。固溶处理的温度为1750℃，时间为1h，空冷。
制备出的镍基合金的拉伸性能采用JMatPro软件模拟得出，900℃的拉伸性能结果请见表2。
对比例2
首先采用真空感应熔炼气雾化法制备合金粉末，合金粉末的成分如表1所示。
然后对合金粉末进行筛分，选取粒径在15μm-45μm的粉末。
采用激光选区熔化技术将选取的粉末制造成型，获得毛坯合金。激光功率300W，扫描速度1200mm/s，线间距0.11mm。
将毛坯合金进行固溶处理后获得镍基合金。固溶处理的温度为1750℃，时间为1h，空冷。
制备出的镍基合金的拉伸性能采用JMatPro软件模拟得出，900℃的拉伸性能结果请见表2。
对比例3
首先采用真空感应熔炼气雾化法制备合金粉末，合金粉末的成分如表1所示。
然后对合金粉末进行筛分，选取粒径在15μm-45μm的粉末。
采用激光选区熔化技术将选取的粉末制造成型，获得毛坯合金。激光功率200W，扫描速度1000mm/s，线间距0.06mm。
将毛坯合金进行固溶处理后获得镍基合金。固溶处理的温度为1750℃，时间为1h，空冷。
制备出的镍基合金的拉伸性能采用JMatPro软件模拟得出，900℃的拉伸性能结果请见表2。
对比例4
首先采用真空感应熔炼气雾化法制备合金粉末，合金粉末的成分如表1所示。
然后对合金粉末进行筛分，选取粒径在15μm-45μm的粉末。
采用激光选区熔化技术将选取的粉末制造成型，获得毛坯合金。激光功率250W，扫描速度800mm/s，线间距0.08mm。
将毛坯合金进行固溶处理后获得镍基合金。固溶处理的温度为1750℃，时间为1h，空冷。
制备出的镍基合金的拉伸性能采用JMatPro软件模拟得出，900℃的拉伸性能结果请见表2。
表1各实施例合金成分含量
表2各实施例及对比例在在900℃的拉伸性能
从表2可知，对比例制得的镍基合金的拉伸性能远远不及本发明提供的镍基合金(实施例1-5)，添加Zr和B元素后合金晶界得到改善，提高了900℃拉伸性能。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种镍基合金，其特征在于，包括以下成分：
C：0.05％-0.15％、Cr：20.50％-23.00％、Co：0.50％-2.50％、Mo：8.00％-10.00％、W：0.20％-1.00％、Fe：17.00％-20.00％、Si：≤1.00％、Mn：≤1.00％、Al：≤0.50％、Ti：≤0.15％、B：0.015％-0.10％、Zr：0.01％-0.30％、Ni：余量。
2.根据权利要求1所述的镍基合金，其特征在于，B的含量为0.015％-0.05％。
3.根据权利要求2所述的镍基合金，其特征在于，B的含量为0.015％-0.02％。
4.根据权利要求1所述的镍基合金，其特征在于，Zr的含量为0.03％-0.20％。
5.根据权利要求4所述的镍基合金，其特征在于，Zr的含量为0.03％-0.10％。
6.一种制备权利要求1-5中任一所述镍基合金的方法，其特征在于，包括步骤：
制粉：采用真空感应熔炼气雾化法制备合金粉末；
筛粉：对所述合金粉末进行筛分，选取合适粒径的粉末；
成型：采用激光选区熔化技术将选取的粉末制造成型，获得毛坯合金；
热处理：将所述毛坯合金进行固溶处理后获得所述镍基合金。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述筛粉步骤选取的是粒径在15μm-45μm的粉末。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，成型时激光参数为：激光功率400～200W，扫描速度800～1500mm/s，线间距0.06～0.13mm。
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