[发明专利]一种镍基超合金Rene80定向生长柱晶及单晶合金制备及零部件制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种定向生长柱晶及单晶合金制备及零部件制造方法，具体是指一种采用连续输送的粉末逐层沉积、制造任意形状具有定向生长柱晶及零部件的制造方法。 

背景技术

定向凝固是利用合金凝固时晶粒沿热流相反方向生长的原理，控制热流方向，使铸件沿规定方向结晶的铸造技术。普通铸件一般均由无一定结晶方向的多晶体组成。定向凝固技术最突出的成就是在航空工业中的应用。采用定向凝固技术可以生产具有优良的抗热冲击性能、较长的疲劳寿命、较好的蠕变抗力和中温塑性的薄壁空心涡轮叶片。 

定向凝固/单晶合金由于减少了与主应力轴方向垂直的横向晶界，显著提高了材料的高温蠕变及持久性能，可以延长航空发动机、燃气涡轮叶片以及舰船叶片等关键部件的使用寿命，因而是航空发动机等高温部件的首选材料。单晶零件制造技术已经成为推重比10以上的高性能发动机关键制造技术之一。以定向凝固Rene80合金材料为例，其拉伸性能和蠕变寿命与普通铸造Rene80合金相比分别提高了10-15%和1-3倍。而单晶合金与定性凝固合金相比，价格较高，性能没有显著提高，只是消除了横向晶界。 

传统的定向凝固/单晶合金零件采用铸造的方法制造。以单晶叶片为例，整个铸件由一个晶粒组成。是继定向凝固铸造高温合金之后，进一步提高合金强度和使用温度的一条途径。单晶叶片铸件的理想组织是叶根、叶身和叶冠，都由毫无缺陷的多相单晶体组成。晶体取向应是〈100〉方向，并与叶片主应力轴方向之间的偏离不应大于10度。单晶铸件可以用与定向凝固相同的设备和工艺制备，与定向凝固铸件的区别只在于在水冷底盘的上部加入选晶器或仔晶，以便控制单一晶体进入铸件。 

20世纪90年代末期，瑞士联邦工学院Gaeumann等人发明了激光金属外延成形技术（E-LMF），该技术中以单晶镍基合金CMSX-4为基板，以CO2激光为热源，向激光与基板相互作用区连续送入并熔化化学组成为单晶合金成分的CMSX-4粉末，实现了CMSX-4单晶合金的制备，并成功用于单晶叶片的修复。 

但是无论定向凝固叶片还是单晶叶片铸造生产的主要问题就是制造时间长，成品率低。以激光为热源采用定向凝固基板和定向凝固材料直接制备单晶和制造单晶零部件在世界上还没有先例。 

发明内容

本发明的目的是，提供一种以高能数流为热源采用连续输送的粉末逐层沉积、制备具有定向生长柱晶及单晶合金及制造任意形状具有定向生长柱晶及单晶零部件的制造方法。通过高能束流的热作用，粉末流在定向凝固的镍基合金基板上逐层熔化沉积，制备具有定向生长柱晶及单晶合金及直接制造具有定向生长挺直柱晶组织/单晶、不同截面形状的镍基超合金Rene80零件。制备的单晶合金其失配角小于10°。此方法制造的镍基合金Rene80定向生长柱晶及单晶合金零部件可用于舰船、燃气轮机和航空发动机热端件的制造。 

本发明的Rene80定向生长柱晶及单晶合金零部件是这样实现的：所述方法是在大气中进行的，以高能束流作为热源，高能束流的运动通过数控系统控制完成，将载气输送的Rene80粉末流在定向凝固的镍基合金基板上逐层熔化沉积，直接制备具有定向生长挺直柱晶组织/单晶的合金，或者直接制造具有定向生长挺直柱晶组织/单晶、不同截面形状的镍基超合金Rene80零件。 

所述的Rene80定向生长柱晶及单晶合金制备及零部件制造方法，其特征在于：所述设备包括： 

A.一高能束流采用激光束、电子束或等离子束作为热源； 

B.一块定向凝固镍基合金基板； 

C.一套输送Rene80粉末的粉末输送系统：包括送粉器和送粉喷嘴；其中送粉喷嘴的功能包括水冷系统、送气系统、送粉系统等； 

合金制备或者零件建造过程均在大气中完成，零件建造过程中液态熔池的保护仅仅通过送粉喷嘴向激光与材料相互作用区输送粉末的同时输送保护气体来实现； 

具体方法包括下列步骤， 

第一步：将粒度为-200目～+325目的Rene80粉末放入送粉器； 

第二步：采用夹紧装置将定向凝固的镍基合金底板夹紧，放在工作台上； 

第三步：将氩气通入送粉器中作为粉末输送的载气和送粉喷嘴中作为保护气体输出；