[发明专利]一种Nb-Si基超高温合金涡轮叶片的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于涡轮叶片制造技术领域，具体涉及一种Nb-Si基超高温合金涡轮叶片的制备方法。

背景技术

高性能飞机的发展有赖于航空发动机技术的持续进步。随着燃气涡轮发动机推重比和效率的提高，涡轮进口温度不断增加。在燃气涡轮发动机部件中，涡轮叶片的工作条件最为苛刻，不仅要承受极端的高温、高应力和恶劣的腐蚀环境，而且要求长使用寿命，这就要求涡轮叶片材料具有高的抗蠕变性能、良好的抗腐蚀性能、高的高温持久强度和断裂韧性等。

目前航空发动机涡轮叶片使用的第三代镍基单晶高温合金，其使用温度极限为1150℃，接近该合金熔点的85％，要想进一步提高其使用温度是非常困难的。因此开发具有更高承温能力的叶片材料，对航空发动机的制造有着重要意义。在过去的20多年中，难熔硅化物因其高熔点、低密度和优良的高温性能等特点受到广泛关注。其中Nb-Si基合金(密度6.6～7.2g/cm³，断裂韧性可超过20MPa·m^1/2)，最有潜力作为发动机涡轮叶片用材料。

Nb-Si基超高温合金基本组成相是韧性固溶体Nb_ss和坚硬的金属间化合物Nb₅Si₃。这种韧/硬两相组织在发挥优良高温强度的同时，具有一定的室温韧性。由于Nb-Si基合金熔点极高(超过1800℃)，同时含有大量的Ti和Hf等高活性元素，导致合金材料制备困难。Nb-Si基合金的制备主要有非自耗真空电弧熔炼、感应熔炼、熔模铸造和定向凝固等方法。真空电弧熔炼制备Nb-Si基合金，组织均匀性不可控，存在大量缩孔缩松，影响合金性能。真空感应熔炼制备Nb-Si基合金，能保持合金成分均匀，但是制备过程熔体温度不均匀，过热度低，容易形成浇铸不足等缺陷。定向凝固可以获得综合性能好的组织，具有近终成形及效率高的等特点，成为制备Nb-Si基合金的首选方法，但是在高温下，熔体非常容易与坩埚发生界面反应，含氧量和夹杂增加，降低合金性能。熔模铸造制备Nb-Si合金技术还未得到充分发展，熔融的Nb-Si基合金活性限制了陶瓷基模壳系统的应用。

不仅如此，涡轮叶片结构极其复杂(附图1)，采用上述方法制备叶片需要准备复杂的模具或模壳，工艺繁琐，同时需要许多后处理工序，生产效率低。因此，解决Nb-Si基超高温合金涡轮叶片的成形问题至关重要。

发明内容

本发明正是针对上述问题，提供了一种采用电子束选区熔化快速成形技术(electron beam melting，EBM)快速制备NbSi基超高温合金涡轮叶片的方法。

EBM可以实现三维复杂结构零部件的无模具、高性能的快速制备。其原理为：基于离散/堆积成形原理，利用计算机得到零部件的三维CAD实体模型，然后利用分层软件在部件高度方向进行分层切片，并将部件的三维轮廓信息转化为二维轮廓信息，并生成扫描路径。电子枪发射的高能电子束根据指定的扫描路径，逐层熔化沉积预置的金属或合金粉末，层层堆积形成三维零件。EBM方法经济、快速，特别适用于难加工、高性能难熔金属或合金零件的制备。

本发明利用电子束选区熔化快速成形技术制备NbSi基超高温合金涡轮叶片，附图2为电子束快速成形设备的结构原理示意图。

本发明制备涡轮叶片的技术方案是：

一种NbSi基超高温合金涡轮叶片的快速制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1.首先利用三维制图软件(Magics)建立需要的涡轮叶片(7)的三维CAD模型，并保存为STL文件；然后利用分层软件(EBM assembler)对STL文件在高度方向上进行分层切片处理，分割成厚度均匀(0.05～0.1mm)的切片，切片包含叶片(7)的横截面轮廓信息和扫描加工路径；利用分层软件将切片保存为ABF文件，并导入电子束选区快速成形设备(9)中；

2.将NbSi合金粉末装入到设备(9)中的铺粉机构(5)中。当设备(9)抽真空至10^-3Pa～10^-2Pa后，电子枪(1)发射出电子束流(2)，并在聚焦线圈(3)和偏转线圈(4)的作用下，按照预先设计的预热路径(13)对成形基板(8)进行预热；

3.预热成形基板(8)至指定温度后，铺粉机构(5)在成形基板(8)铺上一层特定厚度(与切片厚度相同)的NbSi合金粉末(6)；然后电子枪(1)发射出电子束流(2)，并在聚焦线圈(3)和偏转线圈(4)的作用下，按照预先设计的预热路径(13)对所有粉末(6)进行预热；