CN111235564A - 一种增材制造专用高温合金成分设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及增材制造技术领域，具体为一种增材制造专用高温合金成分设计方法。首先，根据高温合金成分设计原则大体确定高温合金中γ'相成形元素Al、Ti和Ta、固溶强化元素W、Mo、Co、Cr等，晶界元素C、B和Zr等的含量范围；随后，根据正交设计法，从上述合金成分范围内筛选出几种合金成分，并利用热力学计算软件和电子空位数计算方法初步评估合金的相组成，优化出几组合适的成分；而后，按照上述几种成分制备合金粉末，进行激光增材制造，对增材制造后的试样进行微观组织结构观察和性能测试；最终优化出一种复合设计要求的合金成分。本发明方法简单易行，可用于增材制造专用新合金的成分优化设计。
Description
技术领域：
本发明涉及增材制造技术领域，具体为一种增材制造专用高温合金成分设计方法。
背景技术：
激光熔覆技术是一种新兴的数字化与智能化的先进制造技术。该技术集设计与制造为一体，突破传统工艺制备多孔、网格、空心等复杂结构件的技术瓶颈，能够实现产品结构的复杂化、轻量化、个性化和低成本化，在航空、航天、核工程、动力能源、交通运输、医疗等领域应用前景广阔。
然而，增材制造技术成形钛合金、铝合金、高温合金、钢等金属构件时，有些合金成形性较好，成形过程中不易出裂纹，如：钛合金；但是有些塑性稍差的合金，成形时容易出现裂纹等凝固缺陷，如：镍基高温合金、TiAl金属间化合物等。裂纹问题已经成为制约增材制造技术在金属材料领域进一步推广应用的瓶颈问题。为此，在实际生产中，需根据增材制造工艺特点重新优化设计合金成分。鉴于此，本发明提出一种增材制造专用高温合金成分设计方法。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种增材制造专用高温合金成分设计方法，该方法可行性强，适用于高温合金材料。
本发明的技术方案是：
一种增材制造专用高温合金成分设计方法，在已有的高温合金成分设计原则基础上，结合模拟计算和激光增材制造的方法，优化、设计合金成分。
所述的增材制造专用高温合金成分设计方法，所采用的模拟计算是指热力学计算或电子空位数计算。
所述的增材制造专用高温合金成分设计方法，通过模拟计算来优化、设计合金成分，增材制造专用高温合金为该成分合金锭制备的合金粉末，或者为单质金属或合金粉末按照模拟计算的成分混合而成的粉末。
所述的增材制造专用高温合金成分设计方法，首先，根据高温合金成分设计原则确定高温合金中γ'相成形元素Al、Ti和Ta、固溶强化元素W、Mo、Co、Cr，晶界元素C、B和Zr的含量范围；随后，根据正交设计法，从上述合金成分范围内筛选出合金成分，并利用热力学计算软件和电子空位数计算方法初步评估合金的相组成，优化出合适的成分；而后，按照上述成分制备合金粉末，进行激光增材制造，对增材制造后的试样进行微观组织结构观察和性能测试，最终优化出一种复合设计要求的合金成分。
本发明的优点及有益效果是：
本发明首先根据高温合金成分设计原则大体确定高温合金中γ'相成形元素Al、Ti和Ta、固溶强化元素W、Mo、Co、Cr等，晶界元素C、B和Zr等的含量范围，随后，利用热力学计算软件和电子空位数计算方法初步评估合金的相组成，优化出几组合适的成分，方法简单易行，成本低，能快速筛选出几种合金成分，因而该方法利于推广应用。
具体实施方式：
在具体实施过程中，本发明增材制造专用高温合金成分设计方法，具体步骤如下：
(1)合金成分范围初步确定
根据高温合金成分设计原则(γ'含量在40～70％之间、合金元素的添加不能促进TCP有害相析出、Al和Cr等抗氧化腐蚀元素的含量满足合金抗氧化性需求)大体确定高温合金中γ'相成形元素Al、Ti和Ta、固溶强化元素W、Mo、Co、Cr等，晶界元素C、B和Zr等的含量范围。
(2)计算模拟
根据正交设计法，从上述合金成分范围内筛选出几种合金成分，利用热力学计算软件(如：Thermo-Calc、CALPHAD等)计算上述合金成分所对应的合金相组成与温度的关系曲线，而后利用电子空位数计算方法评估合金形成TCP有害相的倾向性，在此基础上，优化出几组合适的成分；
(3)粉末制备
根据优化出的合金成分，可采用该成分合金锭制备合金粉末进行增材制造，也可由几种单质金属或特定成分合金粉末按照成分要求混合而成。
(4)增材制造
将上述粉末按照常规的激光增材制造工艺进行成形。
其中，激光增材制造过程非常重要。制造过程关键之一，采用氩气对试样进行保护以防止制造过程中O、N等杂质进入熔池；制造过程关键之二，激光束能量密度适中，能够保证试样成形过程中无熔合不良、大尺寸气孔等缺陷。
结果表明，本发明方法简单易行，可用于增材制造专用新合金的成分优化设计。
Claims (4)
1.一种增材制造专用高温合金成分设计方法，其特征在于，在已有的高温合金成分设计原则基础上，结合模拟计算和激光增材制造的方法，优化、设计合金成分。
2.按照权利要求1所述的增材制造专用高温合金成分设计方法，其特征在于，所采用的模拟计算是指热力学计算或电子空位数计算。
3.按照权利要求1所述的增材制造专用高温合金成分设计方法，其特征在于，通过模拟计算来优化、设计合金成分，增材制造专用高温合金为该成分合金锭制备的合金粉末，或者为单质金属或合金粉末按照模拟计算的成分混合而成的粉末。
4.按照权利要求1所述的增材制造专用高温合金成分设计方法，其特征在于，首先，根据高温合金成分设计原则确定高温合金中γ'相成形元素Al、Ti和Ta、固溶强化元素W、Mo、Co、Cr，晶界元素C、B和Zr的含量范围；随后，根据正交设计法，从上述合金成分范围内筛选出合金成分，并利用热力学计算软件和电子空位数计算方法初步评估合金的相组成，优化出合适的成分；而后，按照上述成分制备合金粉末，进行激光增材制造，对增材制造后的试样进行微观组织结构观察和性能测试，最终优化出一种复合设计要求的合金成分。
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