[发明专利]采用微米陶瓷颗粒制备纳米相增强镍基高温合金的方法

说明书

本发明提供一种采用微米陶瓷颗粒制备纳米相增强镍基高温合金的方法，以镍基高温合金为基体，以TiC、TiB₂、WC和A1₂O₃中的一种或多种作为增强相。作为增强相的陶瓷颗粒原料粒径为1～5μm，添加量为1～5wt.％，通过特定的球磨工艺制备纳米陶瓷均匀分布的镍基高温合金复合粉末，通过3D打印技术制备纳米陶瓷相增强镍基高温合金，所制备的材料纳米陶瓷相分布均匀，具有优异的力学性能。采用微米级陶瓷颗粒，成本低；可以一体成形制备任意复杂形状的零件，提高材料利用率。

技术领域

本发明提供一种采用微米陶瓷颗粒制备纳米相增强镍基高温合金的方法，属于镍基合金制备领域。

背景技术

镍基高温合金具有较高的高温强度、高温蠕变强度、良好的疲劳性能、断裂韧性、良好的抗氧化和抗腐蚀性等，在高温下具有良好的组织稳定性和使用可靠性，被广泛地用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机的热端部件。高推重比航空发动机的发展，对镍基高温合金的综合性能(强度、服役温度、持久性能等)提出了更高的要求。

陶瓷颗粒增强金属基复合材料具有高比强、比模量、耐高温、热膨胀系数小、抗磨损、抗腐蚀、尺寸稳定性好等性能优点。其中，纳米颗粒增强的镍基高温合金复合材料，能在提高强度和硬度等力学性能的同时，保持良好的韧性、高温蠕变强度和疲劳强度。但是，纳米陶瓷颗粒增强镍基高温合金制备的主要难点在于：①纳米陶瓷颗粒巨大的比表面能使其极易发生团聚，而且陶瓷颗粒与基体金属密度差异大，很难均匀分散，从而降低了增强相对基体金属的强化效应；②陶瓷材料的高熔点，与基体材料的润湿性差、膨胀系数差异较大，导致陶瓷相与基体界面结合差；③直接使用纳米陶瓷颗粒会显著提高原材料的成本。

针对上述问题，国内外进行了探索性的研究。中国专利(CN101649398B)公开了原位反应合成TiCx颗粒增强镍基复合材料的方法,制备工艺包括(1)混合粉末的制备：粉末材料由Ti、C、Al、Fe、Mo组成，其中Al粉8-12wt.％，Fe粉12-15wt.％，Mo粉3-5wt.％，石墨C粉8-12wt.％，余量为Ti粉，粉末中Ti粉重量与C粉重量的比值需满足(5-6.7)∶1的关系；(2)粉芯片的制备：将Ni箔卷成直径16-25mm的圆筒，在圆筒内灌入球磨混料后的混合粉末；(3)熔炼及浇铸工艺：利用真空中频感应熔炼炉制备TiCx/Ni复合材料。制备出TiCx体积分数为20-40％的TiCx/Ni复合材料，致密度接近100％，高温强度、硬度显著高于常规镍基高温合金。中国专利(CN107116217A)公开了选择性激光熔化成形法制备TiC增强镍基复合材料的方法，将镍基合金与增强基合金按照配比分别称重，加入的TiC增强相颗粒直径为5-8微米，将称重的粉末放置在低温行星球磨机制备镍基混合粉末，将所制备的镍基混合粉末在选择性激光熔化成形机器上制备镍基复合材料，所制备的合金材料的屈服强度、抗拉强度分别为599.6～649.6MPa和998.5～1079.5MPa。中国专利(CN104745887A)公开了一种纳米陶瓷颗粒增强镍基高温合金复合材料及其激光3D打印成形方法，以粒径为15～45μm的镍基高温合金为基体，以粒径为40～100nm的CrC为增强相，CrC添加的重量百分比为复合材料基体的2.0～8.0％，制备出纳米CrC颗粒混杂增强镍基高温合金复合材料零件。

本发明首次提出采用微米陶瓷颗粒作为原料，通过特定的球磨工艺制备纳米陶瓷颗粒均匀分布的镍基高温合金复合粉末，通过3D打印技术制备纳米陶瓷相增强镍基高温合金的方法，实现了纳米陶瓷相在基体中的均匀分布，解决了纳米陶瓷相团聚问题，以及陶瓷增强相与金属基体之间因润湿性差导致的界面缺陷问题；采用微米级陶瓷颗粒，成本低；本发明可以一体成形任意复杂形状的零件，提高材料利用率。

发明内容