用于增材制造的钴铬镍系合金粉末及其制备方法与应用

本发明属于增材制造用高温结构材料，尤其涉及用于增材制造的钴铬镍系合金粉末及其制备方法与应用。

背景技术：

1、在航空航天、能源动力等高端装备制造领域，高温部件长期面临着极端复杂的服役环境，不仅需要承受900℃以上的高温考验，还需具备优异的强度、塑性及抗蠕变性能，以保障装备的可靠性和使用寿命。传统高温合金虽在一定程度上满足了基础高温使用需求，但随着现代工业对装备性能要求的不断提升，其固有的性能短板逐渐凸显。一方面，常规高温合金在高温环境下的强度衰减明显，抗蠕变能力不足，难以适应航空发动机涡轮叶片、能源设备耐热构件等关键部件的长期服役要求；另一方面，传统合金的成分设计和制备工艺往往难以兼顾室温与高温下的综合力学性能，部分合金虽能在室温下保持较好的强度，却在高温环境下塑性急剧下降，或反之，无法实现强度与塑性的协同优化。

2、增材制造技术（尤其是激光粉末床熔融技术）作为近年来快速发展的先进制造工艺，凭借其高精度、复杂结构成形能力强等优势，为高温部件的制造提供了新的解决方案。然而，增材制造对合金粉末的性能提出了极为苛刻的要求，不仅需要粉末具备良好的球形度、高流动性和适宜的粒径分布，以确保打印过程的稳定性和成形质量，更关键的是粉末的成分设计需适配增材制造的工艺特性，避免在打印过程中出现成分偏析、氧化物团聚等问题。现有适用于增材制造的高温合金粉末，要么因缺乏有效的强化机制导致高温力学性能不足，要么因氧化物弥散相分布不均、与金属基体结合不牢固，使得最终打印件的性能一致性和可靠性难以保障。例如，部分合金粉末在增材制造过程中，纳米氧化物易发生团聚或偏析，无法形成均匀的弥散强化效果，导致制件在高温下的强度和抗蠕变性能大幅下降；另有一些粉末虽具备一定的高温性能，但球形度不佳、流动性差，在打印过程中易出现堵粉、铺粉不均等问题，影响成形件的致密性和力学性能稳定性。此外

3、氧化物弥散强化（ods）技术通过在金属基体中引入均匀分布的纳米级氧化物颗粒，利用氧化物颗粒对位错运动和晶界迁移的钉扎作用，能够显著提升合金的高温强度、抗蠕变性能和热稳定性，是解决高温部件性能瓶颈的有效途径。然而，将 ods 技术与增材制造工艺相结合时，面临着诸多技术挑战：如何实现纳米氧化物在合金粉末中的均匀分散与牢固结合，避免在激光熔融过程中出现氧化物团聚；如何设计合金成分，使打印件既具备良好的成形性，又能在高温环境下保持优异的综合力学性能；如何优化制备工艺，在保证粉末球形度和流动性的同时，确保氧化物弥散相的均匀分布。目前，现有氧化物弥散强化合金粉末在成分设计上多存在元素配比不合理、强化机制单一等问题，制备工艺也难以实现纳米氧化物的均匀包覆，导致其在增材制造中的应用受到限制，无法满足航空航天、能源动力等领域对高端高温部件的苛刻要求。

4、因此，开发一种适用于增材制造（特别是激光粉末床熔融技术）的新型氧化物弥散强化合金粉末，使其兼具良好的成形性能和优异的高温力学性能，同时提供一种能够实现纳米氧化物均匀包覆的制备方法，以及由该粉末制成的高性能打印件，对于突破高端高温部件的制造瓶颈、推动航空航天和能源动力等领域的技术进步具有重要的现实意义和应用价值。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明公开了一种用于增材制造的钴铬镍系合金粉末及其制备方法与应用。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种用于增材制造的钴铬镍系合金粉末，所述合金粉末由预合金粉末、金属单质粉末和氧化物粉末组成，所述合金粉末的元素组成为coacrbnicmodwerefalgch(re2o3)i，其中re为稀土元素，其中re2o3为所述氧化物粉末，所述合金粉末各元素或组分的质量百分比为：10≤a≤ 50 wt%，10＜b ≤50 wt%，10＜c≤ 50 wt%，0＜d≤5 wt%，0＜e≤5 wt%，0＜f ≤5 wt%，0＜g ≤ 2 wt%，0＜h ≤ 2 wt%，0＜i ≤ 2 wt%，且a+b+c+d+e+f+g+h+i=100 wt%；所述金属单质粉末为mo单质粉末。

4、进一步地，所述预合金粉末的化学式为coacrbnicwerefalgch，式中各成分的原子比为：10≤a≤ 50 at%，10＜b ≤50 at%，10＜c≤ 50 at%， 0＜e≤5 at%， 0＜f≤5at%，0＜g≤2 at%，0＜h≤2 at%，且a+b+c+e+f+g+h=100 at%。

5、进一步地，所述金属单质粉末的粒径为1~5 μm。

6、进一步地，所述氧化物粉末为氧化钇、氧化镧、氧化铈和氧化钕中的至少一种，所述氧化物粉末的粒径为100~200 nm。

7、进一步地，所述预合金粉末的化学式为co32.7cr32.2ni32.3w1re0.5al1c0.3。

8、一种上述合金粉末的制备方法，所述方法包括以下步骤：

9、s1）按照设计配比称量预合金粉末原料，将预合金粉末原料的各成分原子百分比换算成质量百分比，按照质量百分比进行原料称量，所述原料纯度≥99.9 wt.%；

10、s2）将s1）称量好的原料混合后进行真空感应熔炼处理，得到合金锭；

11、s3）将s2）所述合金锭进行气雾化处理，得到预合金粉末；

12、s4）将s3）所述预合金粉末进行分筛处理，得到15~53 μm的预合金粉末；

13、s5）根据设计配比，称取所需质量的金属单质粉末、氧化物粉末和s4）得到的预合金粉末，进行干燥处理；

14、s6）将干燥后的金属单质粉末、氧化物粉末和预合金粉末进行共振混粉处理，得到适用于增材制造的所述合金粉末。

15、进一步地，所述真空感应熔炼的具体工艺包括：将原料置于坩埚中，将熔炼室抽至低真空，小功率送电预热炉料，再将熔炼室抽至高真空，高功率送电保持熔炼温度为1550~1600℃，施加电磁搅拌促进成分均匀化，搅拌均匀后进行浇注。

16、进一步地，所述气雾化处理的具体工艺包括：在氩气气氛保护下将所述合金锭加热至熔融状态，通过超音速氩气流喷嘴得到微小液滴，雾化压力为3~9 mpa，雾化后的液滴在雾化塔内下落过程中，由于表面张力作用收缩成球形，并快速冷却凝固成固体预合金粉末。

17、进一步地，所述共振混粉处理的具体工艺包括：将所述金属单质粉末、氧化物粉末和预合金粉末放入混粉机配套容器内，其中，容器内容粉末填料比要达到80%~90%，抽真空至容器内真空度达到0.01 mpa以下，通入氩气避免合金粉末在混粉过程中氧化；通入循环冷却水，降低混粉时的粉末温度；设定混粉程序，混合分两个阶段，第一阶段混合加速度10~20 g，混合时间5~15 min，第二阶段混合加速度80~90 g，混合时间40~60 min；混合结束后，待粉末降至室温，取出粉末。

18、一种打印件，所述打印件采用上述合金粉末制造得到。

19、本发明的有益效果为：

20、1.本发明提供一种适用于增材制造（特别是激光粉末床熔融技术）的氧化物弥散强化合金粉末，该合金粉末不仅具有良好的球形度、高流动性及适宜的粒径分布，以确保打印过程的顺利进行，其成分设计能够在打印后形成具有均匀纳米氧化物弥散相的致密构件，更重要的是，可以用更小的成本和更短的时间改变粉末的成分。

21、2.本发明合金粉末的制备方法，能够实现纳米氧化物在金属粉末表面的均匀、牢固包覆，避免在后续增材制造过程中出现氧化物团聚或偏析，从而确保最终制件性能的均一性和可靠性。

22、3.本发明合金粉末制成的打印件，该打印件在高温（例如高于900℃）环境下仍具有优异的力学性能，包括高强度和高蠕变抗力性能，可满足航空航天、能源动力等领域对高端高温部件的苛刻要求。本发明合金粉末兼具良好的成形性能和优异的高温力学性能，同时提供了一种能够实现纳米氧化物均匀包覆的制备方法，由该粉末制成的高性能打印件，对于突破高端高温部件的制造瓶颈、推动航空航天和能源动力等领域的技术进步具有重要的现实意义和应用价值

23、本发明提供一种适用于增材制造的氧化物弥散强化钴铬镍系合金粉末。合金粉末的核心特征在于其独特的成分组合与结构。在预合金粉末基础上通过添加氧化物粉末提高合金的高温性能，适量的mo能够改善熔体对稀土氧化物的润湿性，降低界面能，从而抑制稀土氧化物颗粒的团聚和偏聚，使其在基体中呈现均匀弥散状态。这种均匀分布的稀土氧化物颗粒能够通过强力钉扎位错，结合mo本身的固溶强化作用，显著提高合金的室温屈服强度和抗拉强度。更重要的是，在高温环境下，均匀弥散的稀土氧化物颗粒在mo的协同作用下，能够有效抑制位错运动和晶界滑移，使得合金在高温下依然保持高抗拉强度和良好的塑性，从而实现室温和高温力学性能的同步优化。然而，mo的添加量至关重要，过少会导致分散效果不佳，强化作用弱；过多则可能引起稀土氧化物沿晶界富集和粗化，反而降低合金的性能。

24、本发明整体合金元素组成限定，稀土氧化物为钇、镧、铈、钕、钆、铒的氧化物中的一种或多种组合，优选氧化钇。优选稀土氧化物粉末其粒径为100纳米至200纳米。该纳米尺度的氧化物能够作为有效的钉扎点，阻碍位错运动和晶界迁移，从而大幅提升材料的高温性能。

25、本发明方法中钼单质粉末其粒径为1微米至5微米。通过添加该粒径mo单质粉末，可以显著促进氧化物颗粒在合金基体中的均匀分散。这种mo单质粉末的加入不仅改善了熔体对氧化物颗粒的润湿性，抑制了颗粒的团聚，还通过促进细小等轴晶的形成，将氧化物颗粒“锁定”在晶粒内部，从而实现了理想的弥散分布。此外，mo元素还能进一步合金化基体，通过固溶强化机制提升材料的强度。mo原子进入基体晶格会引起晶格畸变，增加位错运动的阻力，从而提高了合金的屈服强度和抗拉强度。

26、本发明合金粉末形成核壳结构，其中，预合金粉末为核，金属单质粉末和氧化物粉末通过共振混合工艺均匀包覆于所述预合金粉末的表面，形成完整的包覆层。这种结构确保了在后续激光熔融过程中金属单质能够均匀熔入基体合金中，形成理想的固溶强化效果，在氧化物能够均匀分散到熔池中，形成理想的弥散强化效果。

27、关于本发明合金粉末的制备方法。

28、混合过程优选在氩气气氛下进行，避免粉末在高能混合过程中发生氧化，同时使用循环冷却水对粉末体系降温，抑制粉末团聚。设定两步混合程序分两阶段完成，开始时使用较低加速度有助于更好的分散粉末，避免未分散的粉末在较高加速度下出现团聚现象；第二阶段使用高加速度可以使金属单质粉末和纳米氧化物粉末牢固地包覆在预合金粉末表面，时间偏短会导致金属单质粉末和纳米氧化物没有完全包覆在预合金粉末表面，时间偏长会导致已经包覆的粉末在剪切力作用下部分脱落。

29、本发明合金粉末制造的打印件，通过增材制造工艺制成的，打印件的成分均匀，且内部具有均匀分布的纳米氧化物弥散相，具备优异的室温和高温性能。