一种增材制造用高γ′相含量镍基高温合金及其制备方法

本发明涉及高温合金增材制造，具体涉及一种增材制造用高γ′相含量镍基高温合金及其制备方法。

背景技术：

1、镍基高温合金具有优异的高温稳定性和力学性能，是航空航天优选的结构件材料。随着航空航天对零件的复杂化、整体化、高性能化越来越高的要求，这就要求不断发展和改善高温合金的成分和加工工艺，增材制造因其自由度高、周期短、可实现一体化成形等优点，使得增材制造高温合金的需求更加迫切。激光粉末床熔融技术(laser powder bedfusion，lpbf)作为一种先进的金属增材制造工艺，在当前备受青睐。该工艺采用逐层沉积金属粉末，并利用高能量密度激光束对粉末进行局部熔化和随后的凝固，形成致密的金属层，层层叠加直至构建出所需的三维零件。相较于传统的铸造和锻造方法，lpbf技术展现出了显著的冷却速度优势，这有利于促进金属材料微观结构中晶粒尺寸的细化，进而改善成品的机械性能。

2、然而，沉淀硬化型镍基高温合金的lpbf成形过程伴随有强非平衡凝固过程，大温度梯度、高冷却速率和循环加热的特性易引发元素偏析、相变和残余应力累积，从而导致增材制造样件产生孔隙、微裂纹等缺陷。当前通过研究发现al、ti等γ′相形成元素的添加降低了合金的塑性变形能力和抗裂性，并极易导致应变时效裂纹的产生，大量添加的nb、mo、w、ta等难熔元素导致了合金凝固区间的扩大和大量低熔点共晶的形成，进而引发了凝固和液化裂纹的产生。另外，c、b、p、si、hf等晶界强化元素的存在也会不同程度的增大合金的开裂敏感性。针对激光粉末床熔融成形镍基高温合金的微裂纹问题，当前可采用热等静压方法消除成形的合金中的裂纹，热等静压能够有效闭合构件中的裂纹，但同时也导致晶粒粗化，导致合金力学性能降低。同时，热等静压作为一种后处理工艺，成本昂贵，进一步增加了利用lpbf技术成形高性能复杂航空发动机零部件的成本。例如：中国专利cn113789490a提供了一种增材制造用gh4169镍基高温合金及其热处理方法，其制备方法为：将gh4169镍基高温合金依次进行一级热处理、一级冷却、热等静压处理、二级冷却、固溶处理、三级冷却、时效处理以及四级冷却，得到力学性能优异的gh4196镍基高温合金，但是其在增材制造成形合金后仍需采用热等静压处理，用于改善合金内部缺陷，这延长了工艺流程且增加了生产成本。

3、因此，为解决微裂纹问题，亟需设计和开发适用于lpbf技术的新型合金成分，同时改进镍基高温合金的热处理方法，以进一步提升合金的综合性能。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷和改进需求，为了提高合金强度，克服传统沉淀硬化型镍基高温合金在激光粉末床熔融成形过程中的微裂纹问题，本发明提出了一种增材制造用高γ′相含量镍基高温合金及其制备方法，具体如下：

2、一种增材制造用高y′相含量镍基高温合金的制备方法，按照以质量分数计的合金成分：cr 9.0-15.0％，co 7.0-10.0％，w 3.0-11.0％，mo 0.9-3％，a13.0-4.2％，ti 0.7-3.0％，nb 0-1％，ta 1.5-3.0％，c 0.05-0.15％，b 0-0.014％，zr 0.01-0.028％，余量为ni，预制合金，将预制合金制备为粉末，采用激光粉末床熔融技术对预制合金进行成形，随后经一级固溶处理、一级冷却、一级时效处理、二级冷却、二级时效处理以及三级冷却的处理后，得到镍基高温合金，所述镍基高温合金中的γ′相体积分数≥55％；所述一级固溶温度高于1115℃，保温时间为至少0.5h，所述一级时效处理温度为900-1100℃，一级时效处理时间为至少2h，所述二级时效处理温度为800-900℃，保温时间为至少12h。

3、进一步地，以质量百分比计，所述镍基高温合金的化学成分如下：cr 14.4-14.9％，co 7.2-7.9％，w 3.5-3.9％，mo 1.5-3％，al3.1-3.6％，ti 2.0-2.5％，nb 0.4-1％，ta 1.6-2.5％，c 0.05-0.15％，b 0.011-0.014％，zr 0.01-0.028％，余量为ni。

4、进一步地，所述激光粉末床熔融技术对预制合金粉末进行成形的具体工艺参数为：功率为190-350w、扫描速度为500-1400mm/s、扫描间距为80-110μm、层厚为30-50μm，扫描方式为“之”字形扫描。

5、进一步地，采用等离子旋转电极雾化或者真空气雾化制粉设备制备粉末。

6、进一步地，所述一级固溶温度为1120-1250℃，保温时间为0.5h-2h。

7、进一步地，所述一级时效处理温度为1025-1100℃，一级时效处理时间为2-4h。

8、进一步地，所述一级时效处理温度为900-1010℃，一级时效处理时间为2-4h。

9、进一步地，所述二级时效温度为800-900℃，二级时效处理时间为12-24h。

10、进一步地，所述冷却方式均采用空冷。

11、根据上述制备方法制备得到的镍基高温合金，优选地，以质量百分比计，所述镍基高温合金的化学成分如下：cr 14.4-14.9％，co 7.2-7.9％，w 3.5-3.9％，mo 1.5-3％，al3.1-3.6％，ti 2.0-2.5％，nb 0.4-1％，ta 1.6-2.5％，c 0.05-0.15％，b 0.011-0.014％，zr 0.01-0.028％，余量为ni，γ′相的形状呈现为方形或球形。

12、mo在合金中提供固溶强化和抗蠕变性能，但高mo含量会导致合金的晶界析出脆性相(如μ相或σ相)，从而增加裂纹敏感性。较少的mo含量有助于减少这些脆性相的形成。

13、ti是形成γ′相的重要元素，显著提升了γ′相的溶解温度和稳定性，并能增强合金在高温下的力学性能。然而，增加ti含量会降低合金的固相线温度，促进γ′相的粗化速度，并且容易在枝晶间形成低熔点γ/γ′共晶，适当降低ti含量，有助于维持合金高温力学性能的同时，减少低熔点共晶的形成。

14、ta和nb具有较强的形成和稳定γ′强化相(ni3(ta,nb))的能力，ta和nb可以取代部分ti和al在γ′相中的位置，优化γ′相的分布和形态，使其更加均匀和细小，使得合金的力学性能和抗蠕变性能提高。

15、c是晶界强化元素，在增材制造过程中，c可以在晶界形成弥散分布的碳化物，从而增强零部件的力学性能。然而，过高的碳含量会导致连续碳化物在晶界析出，对合金的高温塑性不利，在保证晶界强化效果的同时，适当降低c含量，减少不利的碳化物析出。

16、高含量的zr有助于提高合金的高温强度和耐久性，但同时可能增加合金的脆性，使其更易于在热循环中产生裂纹。减少zr含量可以降低合金的脆性，从而减少裂纹敏感性，提高合金在高温环境下的稳定性。

17、合金在lpbf成形中的裂纹问题多由较大的凝固区间和高裂纹敏感性带来，例如rené80合金。凝固区间的大小会影响液-固共存区的持续时间，从而影响晶粒的生长和裂纹的形成。较大的凝固区间容易导致偏析现象的发生，进而增加裂纹的形成概率，因此，通过调节不同元素的含量可实现消除合金成形过程中的微裂纹并进一步提升合金性能。

18、本发明的有益效果为：

19、(1)本发明所述的热处理方法先通过一级固溶处理使组织均匀化，再结合一次时效处理和二次时效处理等工艺调节析出相形貌和尺寸，其中一级固溶处理温度对最终合金性能具有重要影响：若温度过高，可能导致晶粒粗化，从而造成材料软化；而温度过低则难以使δ相及laves相完全溶解，从而在后续的时效过程中强化相析出减少。因此，一级固溶处理需将温度提高至1115℃以上，以确保γ′相能够完全溶解并适当调整晶粒尺寸。后续的一级时效处理旨在精确控制和调整γ′相的尺寸和形状，控制温度在不同范围，进而控制γ′相的析出速率，满足不同温度的力学性能要求。最后的二级时效处理通常在较低温度下进行，以促进二次γ′相的析出。冷却过程中采用空冷方式，以保证形成足够的过饱和固溶体并促进γ′相的析出，从而优化合金的整体性能，有效提高了本发明合金在不同温度范围下的力学性能。

20、(2)本发明进一步通过调控合金中元素成分和比例，相比于传统沉淀硬化型镍基高温合金例如rené80，本发明的沉淀硬化型镍基高温合金能够有效降低成形过程中凝固区间进一步降低开裂敏感性，克服传统沉淀硬化型镍基高温合金在激光粉末床熔融成形过程中的微裂纹问题，同时本发明的镍基高温合金力学性能优越。拉伸方向与成形方向垂直时，沉积态合金(未经热处理)在室温下，其抗拉强度达1100mpa以上，屈服强度达820mpa以上，断后延伸率达30％以上；在1100℃下，经热处理后的合金件沿成形方向的抗拉强度达160mpa以上，屈服强度达110mpa以上，断后延伸率达4％以上。