CN112095037B - 具有高温持久低各向异性的成形件、成形方法及成形粉末 - Google Patents

Abstract

本发明的一个目的在于提供一种用于增材制造具有高温持久低各向异性成形件的成形粉末，能够成形具有高温持久低各向异性的成形件。本发明的另一个目的在于提供一种具有高温持久低各向异性成形件的成形方法。本发明的又一个目的在于提供一种具有高温持久低各向异性的成形件。为实现前述一个目的的成形粉末，以质量百分比计，由以下化学成分组成：0.03%≤C≤0.09%、20.50%≤Cr≤23.00%、0.50≤Co≤2.50%、8.00%≤Mo≤10.00%、0.20%≤W≤1.00%、17.00%≤Fe≤20.00%、0%<B<0.002%、0%≤Mn≤1.00%、0.0375%≤Si≤0.15%、0%≤O≤0.02%、0%≤N≤0.015%、余量的Ni以及不可避免的杂质；其中，0.2≤C/Si≤1.0。

Description

具有高温持久低各向异性的成形件、成形方法及成形粉末

技术领域

本发明涉及增材制造领域，尤其涉及一种具有高温持久低各向异性的成形件、成形方法及成形粉末。

背景技术

镍基高温合金在航空航天领域应用广泛，合金主要成为为Ni、Co、Cr、W等元素，在高温环境中拥有较强的抗氧化能力和耐腐蚀性。增材制造（Additive Manufacturing）技术被预测为可能引发“第三次工业革命”的关键技术之一，相比于传统加工工艺，具有材料利用率高、设计自由度高、成形精度高、表面质量好等多重优势。根据原材料的送给形式不同，增材制造可分为基于粉末床和材料同步送进两种形式，其中粉末床式增材制造的主要技术原理为：将待加工的零件三维数字模型进行逐层分割，输入到成形设备中；将基板固定在成形平台上，并进行调平，利用铺粉机构（通常为刮板或粉辊）进行单层铺粉，利用一束或多束激光/电子束，对铺放好的单层粉末进行选区熔化，实现由点到线，由线到面的成形过程；待一层成形完后成形平台下降一定高度，进行下一层铺粉及选区熔化成形，最终实现了由面到体的成形过程，由此获得最终零件，特别适合于航空航天等高附加值行业。

由于增材制造技术成形过程依靠熔池的移动实现由点到线、由线到面、由面到体。由于这一特殊的过程，导致了在不同方向上成形材料的显微组织具有不同特征，进而导致了力学性能的各向异性。各向异性是增材制造工艺显著特征。

当零件对于受力方向不存在显著的方向性时（即受力方向为各向同性），则希望零件材料的各向异性越小越好，避免强度较弱的方向限制零件整体的强度和寿命。特别是在利用增材制造成形具有异形复杂薄壁结构零件时，零件不同位置相对于基板具有复杂的空间取向，零件在实际服役条件下往往会受到复杂的载荷作用。如果各向异性显著存在于具有复杂结构的零件当中，会导致力学性能在不同结构位置的差异增大，进而导致了服役寿命受到限制，且零件设计和考核验证难度也大幅增加。因此，降低增材制造制件的力学性能各向异性对于提升增材制造工艺的工程化应用水平具有重要的意义。

其中，高温持久性能是镍基高温合金最基础最为重要的性能之一，如何降低零件高温持久性能的各向异性也成为目前亟需解决的问题。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种用于增材制造具有高温持久低各向异性成形件的成形粉末，能够成形具有高温持久低各向异性的成形件。

本发明的另一个目的在于提供一种具有高温持久低各向异性成形件的成形方法，采用前述成形粉末进行成形。

本发明的又一个目的在于提供一种具有高温持久低各向异性的成形件，采用前述成形方法进行成形。

为实现前述一个目的的用于增材制造具有高温持久低各向异性成形件的成形粉末，以质量百分比计，由以下化学成分组成：

0.03%≤C≤0.09%、20.50%≤Cr≤23.00 %、0.50≤Co≤2.50 %、8.00 %≤Mo≤10.00 %、0.20 %≤W≤1.00 %、17.00 %≤Fe≤20.00 %、0 %<B<0.002 %、0 %≤Mn≤1.00%、0.0375 %≤Si≤0.15%、0 %≤O≤0.02%、0 %≤N≤0.015 %、余量的Ni以及不可避免的杂质；

其中，0.2≤C/Si≤1.0。

在一个或多个实施方式中，以质量百分比计：所述C的含量为：0.05%≤C≤0.09%；所述Si的含量为：0.07%≤Si≤0.15%；其中，0.33≤C/Si≤0.8。

在一个或多个实施方式中，所述成形粉末通过气雾化或旋转电极雾化制成。

在一个或多个实施方式中，所述成形粉末的粉末粒度大小为15μm至150μm。

为实现前述另一目的的具有高温持久低各向异性成形件的成形方法，通过增材制造工艺成形所述具有高温持久低各向异性的成形件，其特征在于：

所述增材制造工艺采用的成形粉末为如前所述的用于增材制造具有高温持久低各向异性成形件的成形粉末。

在一个或多个实施方式中，所述增材制造工艺为激光选区熔化成形工艺。

在一个或多个实施方式中，所述成形方法还包括：

对成形件进行去应力退火处理。

在一个或多个实施方式中，在所述去应力退火处理后，所述成形方法还包括：

对成形件进行线切割处理。

在一个或多个实施方式中，在所述线切割处理后，所述成形方法还包括：

对成形件进行热等静压处理。

为实现前述又一目的的具有高温持久低各向异性的成形件，采用如前所述的具有高温持久低各向异性成形件的成形方法制成。

本发明的进步效果包括以下之一或组合：

本发明的成形粉末进一步优化了对高温持久各向异性起重要影响的化学元素成分含量，规定了以质量百分比计，0.03%≤C≤0.09%，0.0375 %≤Si≤0.15%，0 %<B<0.002%，元素C以及元素Si质量百分数的比值为0.2≤C/Si≤1.0。在控制C、Si以及B的质量百分比以及比值分别在于上述区间时，采用上述粉末进行增材制造后所成形的零件具有较低的高温持久各向异性。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1示出了用于进行拉伸试验用的纵向试样以及横向试样的示意图；

图2示出了实施例1-3以及对照例1-3的高温持久性能横－纵向对比图；

图3为图2中所测数据中纵向高温持久性能减去横向高温持久性能所得到的差值对比图。

具体实施方式

下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本申请的保护范围进行限制。例如在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结合。

需要注意的是，在使用到的情况下，如下描述中的上、下、左、右、前、后、顶、底、正、反、顺时针和逆时针仅仅是出于方便的目的所使用的，而并不暗示任何具体的固定方向。事实上，它们被用于反映对象的各个部分之间的相对位置和/或方向。

需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。此外，不同实施方式下的变换方式可以进行适当组合。

现有文献中已有对于成形粉末成分对于增材制造成形件的各向成形性能影响的讨论。如魏菁等人在《Hastelloy-X粉末成分对激光选区熔化成形各向成形性能的影响》（中国激光, 2018, 045(012):135-141）对比了使用粒度为15~45μm的两个批次Hastelloy-X金属粉末的各向异性，其中公开了C、Si两个元素对各向异性的影响。张永志等人在《激光选区熔化Hastelloy X合金的显微组织与拉伸性能的各向异性》（航空材料学报, 2018, 038(006):50-56）中，公布了一种Hastelloy X合金的成分，并和锻件的各向异性进行了对比。薛珈琪等人在《激光选区熔化GH3536合金组织对力学性能的影响》（激光与光电子学进展,2019, 56(14)）中，公开了在增材工艺条件下，不同C、Si元素的各向异性强弱，确定了C元素对各向异性的影响显著，Si元素影响不显著。另有多项镍基合金相关专利，通过控制元素成分达到降低裂纹密度，改善裂纹敏感性。在公开号为CN105828983A的专利文献中，公开一种降低裂纹密度的镍基高温合金。在公开号为CN106513660A的专利文献中公开了一种镍基合金成分，通过控制多种元素的含量：20.5-23.0Cr、17.0-20.0Fe、8.0-10.0Mo、0.50-2.50Co、0.20-1 .00W、0.04-0 .10C、0-0.5Si、0-0.5Mn、0-0.008B，以及元素间含量比值C/B＞5，提升了高温拉伸塑性，降低了裂纹敏感性。在公开号为US20180073106A的专利文献中确定了8.0-8.5Cr，9.0-9.5Co，0.4-0.6Mo，9.3-9.7W，2.9-3.6Ta，4.9-5.6Al，0.2-1.0Ti等元素，在不牺牲强度的情况下，减少裂纹倾向。在公开号为CN107486555A的专利文献中公开一种镍基合金C/Hf ＞1.55，0.01%<C<0.2%，起到降低裂纹敏感性的目的。

高温持久是镍基高温合金在抵抗高温长时载荷的重要力学性能指标，为进一步优化降低增材制造成形镍基合金高温持久性能的各向异性，本发明对成形粉末的成分与高温持久各向异性进行了进一步研究，提出了一种用于增材制造具有高温持久低各向异性成形件的成形粉末。其中，高温持久性能是指零件在温度为>500摄氏度时的持久性能。

本镍基合金成形粉末以质量百分比(wt-%)计，由以下化学成分组成：

0.03%≤C≤0.09%、20.50%≤Cr≤23.00 %、0.50≤Co≤2.50 %、8.00 %≤Mo≤10.00 %、0.20 %≤W≤1.00 %、17.00 %≤Fe≤20.00 %、0 %<B<0.002 %、0 %≤Mn≤1.00%、0.0375 %≤Si≤0.15%、0 %≤O≤0.02%、0 %≤N≤0.015 %、余量的Ni以及不可避免的杂质；

其中，元素C以及元素Si质量百分数的比值满足0.2≤C/Si≤1.0。

现有技术中已有对于碳元素以及硅元素在成形粉末中的含量对于成形件性能的影响，其中，如背景技术文献中所公开的碳含量显著影响晶内和晶界的碳化物数量，晶界碳化物对晶粒尺寸长大的抑制作用更明显。而添加硅元素会形成更多的裂纹源，导致拉伸强度降低。对于硼元素，对于镍基高温合金的力学性能发挥重要作用，因此通常镍基合金都要含有微量的硼元素。加入硼元素可以改善高温力学性能，改善晶界形态，提高合金的加工性能。关于硼元素的强化机理，一种理论研究认为，硼元素可以富集再晶界，填满材料空位和晶格缺陷，减慢晶界的扩散过程，降低位错攀移速度，从而强化合金。另外一种理论认为晶界上的硼元素可以抑制碳化物的早期聚集，从而延缓晶界裂纹产生。但加入过多硼元素时，容易在晶界形成硼化物，可能降低力学性能。

虽然现有技术中已有对于碳元素、硅元素以及硼元素在成形粉末中含量对于成形件中裂纹的生成机理以及零件的拉伸强度之间影响的讨论，然而现有技术中缺乏对于高温持久各向异性起重要影响的化学元素的研究。

本发明的镍基合金成形粉末进一步优化了对高温持久各向异性起重要影响的化学元素成分含量，规定了以质量百分比计，0.03%≤C≤0.09%，0.0375 %≤Si≤0.15%，0 %<B<0.002 %，元素C以及元素Si质量百分数的比值为0.2≤C/Si≤0.8。在控制C、Si以及B的质量百分比以及比值分别在于上述区间时，采用上述粉末进行增材制造后所成形的零件具有较低的高温持久各向异性。

可以理解的是，本文中提及的高温持久各向异性，与零件高温持久性能的高低并无直接关联，其是指成形件在温度>500摄氏度下，零件持久性能的各向异性。即对零件以与成形方向相同的纵向以及与成形方向垂直的横向，分别对零件进行纵向－横向高温持久性能测试后得到的差值。后文中将以具体的实施例来进一步阐述。

进一步地，在一个优选的实施方式中，以质量百分比计，C的含量为：0.05%≤C≤0.09%，Si的含量为：0.07%≤Si≤0.15%，同时元素C以及元素Si质量百分数的比值满足0.33≤C/Si≤0.8，成形粉末中的元素含量进一步同时满足以上三个条件，以进一步降低通过上述粉末进行增材制造后所成形的零件的高温持久各向异性。

在本镍基合金粉末的一个或多个实施方式中，镍基合金粉末是通过气雾化或旋转电极雾化制成，从而保证能够得到表面光滑的球形粉末。在其他一些实施方式中，镍基合金粉末也可以采用其他合适的方法制成。

在本镍基合金粉末的一个或多个实施方式中，镍基合金粉末的粉末粒度大小为15μm至150μm。在一些实施方式中，是根据不同的增材制造工艺种类选择不同的粒度范围。

本发明的另一个方面提供了一种具有高温持久低各向异性成形件的成形方法，其采用如前述一个或多个实施方式中的镍基合金粉末，通过增材制造工艺成形具有高温持久低各向异性的成形件。

在本成形方法的一个实施方式中，增材制造工艺为激光选区熔化成形工艺（SLM）。其中，在一些不同的实施方式中，增材制造工艺也可以是如激光熔化沉积工艺（LMD）。

在本成形方法的一个实施方式中，通过增材制造成形的成形件为毛坯件，本成形方法还包括对成形件进行去应力退火处理，以进一步降低其高温持久各向异性。

在本成形方法的一个实施方式中，在对成形件进行去应力退火处理后，还包括对成形件进行线切割处理，以去除零件表面毛刺，对零件外表面的成形质量进行进一步提升。

在本成形方法的一个实施方式中，在对成形件进行线切割处理后，还包括对成形件进行热等静压处理，以进一步降低零件的横纵向组织差异，从而降低其高温持久各向异性。

本发明的又一个方法在于提供了一种具有高温持久低各向异性的成形件，其通过如前所述一个或多个试试方式中的成形方法制成。

如下通过实施例进一步阐述本镍基合金粉末成形的零件具有较低的高温持久各向异性。

实施例：

本实施例中，设置了4组实施例以及3组对照例，其中实施例1-4的成形粉末采用本镍基合金粉末，其中的实施例1-3采用前述优选实施方式中的镍基合金粉末，对照例1 中C元素的质量百分数以及C/S、对照例2中Si元素的质量百分数以及C/S、对照例3中B元素的质量百分数以及C/S分别超出本发明所述元素范围。

表一中示出了实施例1-4以及对照例1-3的化学元素组成（以质量百分比计）：

表一

对上述实施例1-4以及对照例1-3粉末采用EOS M280设备进行激光选区熔化成形。成形参数为：层厚20μm，激光扫描功率180W，层间旋转角度为67°（可避免横向各向异性产生）。分别对实施例1-4以及对照例1-3成形如图1中所示出的纵向试样1以及横向试样2。其中，纵向试样1以及横向试样2均以成形方向a进行成形。

成形过程结束后进行后处理，依次完成去应力退火、线切割、热等静压步骤，按照标准开展室温高温持久性能测试。具体地，对纵向试样1进行以与成形方向a相同的第一方向y近高温持久性能测试，对横向试样2进行以与成形方向a垂直的第二方向x近高温持久性能测试，如图2示出了实施例1-4以及对照例1-3的高温持久强度横－纵向对比，图3为图2中所测数据中横向高温持久性能减去纵向高温持久性能所得到的差值。

具体地，参照图2以及图3可得，通过本发明提供的成形粉末成形得到的成形件实施例1，在温度815℃、拉力为105MPa下的横向高温持久性能（三组平均值）为23.2h，纵向高温持久寿命（三组平均值）为24.6h，纵向高温持久寿命与横向高温持久寿命之间的差值为1.4h。

实施例2在温度815℃、拉力为105MPa下的横向高温持久性能（三组平均值）为38.6h，纵向高温持久寿命（三组平均值）为37.9h，纵向高温持久寿命与横向高温持久寿命之间的差值为-0.7h。

实施例3在温度815℃、拉力为105MPa下的横向高温持久性能（三组平均值）为21.7h，纵向高温持久寿命（三组平均值）为23.1h，纵向高温持久寿命与横向高温持久寿命之间的差值为1.4h。

实施例4在温度815℃、拉力为105MPa下的横向高温持久性能（三组平均值）为23.1h，纵向高温持久寿命（三组平均值）为25.4h，纵向高温持久寿命与横向高温持久寿命之间的差值为2.3h。

对照例1，在温度815℃、拉力为105MPa下的横向高温持久性能（三组平均值）为11.3h，纵向高温持久寿命（三组平均值）为36.8h，纵向高温持久寿命与横向高温持久寿命之间的差值为25.6h。

对照例2在温度815℃、拉力为105MPa下的横向高温持久性能（三组平均值）为33.0h，纵向高温持久寿命（三组平均值）为91.9h，纵向高温持久寿命与横向高温持久寿命之间的差值为58.9h。

对照例3在温度815℃、拉力为105MPa下的横向高温持久性能（三组平均值）为29.9h，纵向高温持久寿命（三组平均值）为37.0h，纵向高温持久寿命与横向高温持久寿命之间的差值为7.1h。

经上述对比可知，通过本发明提供的成形粉末成形得到的成形件，高温下横向与纵向持久寿命差异显著缩小，高温持久性能的各向异性得到了显著的降低，尤其适用于制造受力方向不存在显著的方向性、且在高温工况下使用的零件。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于增材制造具有高温持久低各向异性成形件的成形粉末，其特征在于，以质量百分比计，由以下化学成分组成：

0.03%≤C≤0.09%、20.50%≤Cr≤23.00 %、0.50≤Co≤2.50 %、8.00 %≤Mo≤10.00 %、0.20 %≤W≤1.00 %、17.00 %≤Fe≤20.00 %、0 %<B<0.002 %、0 %≤Mn≤1.00%、0.0375 %≤Si≤0.15%、0 %≤O≤0.02%、0 %≤N≤0.015 %、余量的Ni以及不可避免的杂质；

其中，0.2≤C/Si≤1.0。

2.如权利要求1所述的用于增材制造具有高温持久低各向异性成形件的成形粉末，其特征在于，以质量百分比计：

所述C的含量为：0.05%≤C≤0.09%；

所述Si的含量为：0.07%≤Si≤0.15%；

其中，0.33≤C/Si≤0.8。

3.如权利要求1所述的用于增材制造具有高温持久低各向异性成形件的成形粉末，其特征在于，所述成形粉末通过气雾化或旋转电极雾化制成。

4.如权利要求1所述的用于增材制造具有高温持久低各向异性成形件的成形粉末，其特征在于，所述成形粉末的粉末粒度大小为15μm至150μm。

5.一种具有高温持久低各向异性成形件的成形方法，通过增材制造工艺成形所述具有高温持久低各向异性的成形件，其特征在于：

所述增材制造工艺采用的成形粉末为如权利要求1至4中任一项所述的用于增材制造具有高温持久低各向异性成形件的成形粉末。

6.如权利要求5所述的具有高温持久低各向异性成形件的成形方法，其特征在于，所述增材制造工艺为激光选区熔化成形工艺。

7.如权利要求5所述的具有高温持久低各向异性成形件的成形方法，其特征在于，所述成形方法还包括：

对成形件进行去应力退火处理。

8.如权利要求7所述的具有高温持久低各向异性成形件的成形方法，其特征在于，在所述去应力退火处理后，所述成形方法还包括：

对成形件进行线切割处理。

9.如权利要求8所述的具有高温持久低各向异性成形件的成形方法，其特征在于，在所述线切割处理后，所述成形方法还包括：

对成形件进行热等静压处理。

10.一种具有高温持久低各向异性的成形件，其特征在于，采用如权利要求5至9中任一项所述的具有高温持久低各向异性成形件的成形方法制成。

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