[發明專利]一種激光選區熔化技術制備Nb-Si基超高溫合金的方法

有效

• 申請號: 201410211026.0
• 申請日: 2014-05-19
• 公開（公告）號: CN103949639A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發明（設計）人: 張虎;孫少波;賈麗娜;李震;徐惠彬
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;C22C27/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于高溫合金制備技術領域，特別涉及一種利用激光選區熔化技術制備NbSi超高溫合金的方法。

背景技術

隨著高性能航空發動機、燃氣渦輪機向著高流量比、高推重比、高進口溫度方向發展，渦輪葉片等熱端部件的工作溫度不斷提高，渦輪進口溫度也在不斷提升。目前，噴氣發動機中使用的第三代鎳基單晶高溫合金的最高使用溫度已經達到了1100～1150℃，接近該合金熔點的85％，再提升的潛力不大，因此迫切需要開發新型的結構材料。目前，難熔硅化物因其優異的綜合性能，成為超高溫結構材料研究領域的熱點方向，而其中Nb-Si基超高溫合金具有高熔點(>1750℃)、低密度(6.6-7.2g/cm³)，良好的高溫強度及一定的斷裂韌性、疲勞性能和可加工性等優點，成為極具競爭力的新型高溫金屬結構材料之一。Nb-Si基合金由Nb_SS固溶體和金屬間化合物Nb₅Si₃構成的，依靠高韌性的Nb_SS固溶體承受塑性變形，提高室溫斷裂韌性，依靠硬脆的硅化物相Nb₅Si₃承受高溫下的機械載荷，提高高溫強度。

近年來，NbSi超高溫合金研究重點在合金設計和制備工藝方面。合金化設計主要是添加Ti、Al、Hf、Cr、鉑系金屬(Re，Ru等)、Wo、Ta、Mo、稀土元素(Ho、Dy、Y)、B、C、Ge、Zr、V、Sn、N、Fe、In。合金元素的加入可以顯著改善其室溫斷裂韌性、高溫蠕變強度以及高溫抗氧化能力等性能之間的匹配。在制備工藝方面，Nb-Si基合金由于其熔點高，易氧化、含有脆性相以及大量的Ti和Hf等高活性元素，制備工藝受到很大的限制，目前主要有真空非自耗/自耗電弧熔煉、真空感應熔煉、定向凝固、粉末冶金和熔模鑄造等。真空電弧熔煉得到的NbSi合金組織中往往存在成分偏析現象，容易出現粗大初生相、Nb₃Si亞穩相以及裂紋等，氧含量和其它雜質含量較高，不利于高溫結構材料的直接應用。粉末冶金NbSi合金時，在燒結及冷卻產生的應力容易導致裂紋產生，從而影響合金的綜合性能，燒結溫度對合金組織的影響很大，燒結溫度不同，所得產物的組織組成也不同，晶粒大小不同，組成相也可能不同(如Nb₃Si相的出現)；真空感應熔煉能保持合金成分均勻和高純度，缺點是熔體溫度不均勻，過熱度低，容易形成澆鑄不足等缺陷。定向凝固能消除大部分橫向晶界，有效控制合金的微觀組織和化學成分，并獲得低缺陷的鑄件，正逐漸成為制備鈮硅超高溫合金的主要工藝手段。但是傳統的定向凝固缺點主要有：凝固過程冷卻速率低，導致合金組織粗化并長大，限制了合金性能的提高，另外由于NbSi超高溫合金中含有Hf、Ti等高溫下化學活性很強的元素，因此在高溫下非常容易與接觸的坩堝發生界面反應，造成合金污染，含氧量增加，鑄件夾雜增加，機械性能下降。熔模鑄造Nb-Si基合金，其型殼承溫能力將超過2000℃，然而目前用于高溫結構材料熔模鑄造的型殼承溫能力多不超過1700℃，且在高溫下與Nb-Si基合金發生反應，難以滿足Nb-Si基合金熔模鑄造成型要求。

不僅如此，上述幾種方法制備NbSi合金均需要坩堝或模具，很難直接制備具有特定尺寸和復雜結構(變截面、內腔或者冷卻通道)的合金件，往往需要較多的機加工和后處理，工藝繁瑣，生產效率低同時容易造成合金材料的浪費。因此，開發一種更加高效的制備Nb-Si基超高溫合金的方法無疑是至關重要的。

發明內容

本發明正是針對傳統方法制備NbSi基超高溫合金存在的問題，提供了一種激光選區熔化技術(Selective?Laser?Melting，SLM)快速制備NbSi基超高溫合金的方法。

激光選區熔化(SLM)技術是將激光熔覆與快速原型(rapid?prototyping)技術結合起來的一種最新的先進制造技術。SLM能夠實現三維復雜結構零部件的無模具、高性能的快速制備。其過程主要為：利用計算機得到零部件的三維CAD實體模型，然后利用分層軟件在部件高度方向進行分層切片，并將部件的三維輪廓信息轉化為二維輪廓信息，并生成掃描路徑。激光束按照指定的掃描路徑逐層熔化沉積金屬或合金粉末，堆積形成三維實體零件。經過材料及工藝優化，一次成形的致密度可高于95％，成形合金可直接滿足工業需求。SLM技術適用于難加工、高性能難熔金屬和合金的制備。

本發明利用SLM技術制備NbSi超高溫合金的技術方案是：