[發明專利]一種多相納米陶瓷顆粒混雜增強鎳基合金及其激光成形方法

在審

• 申請號: 201810685932.2
• 申請日: 2018-06-27
• 公開（公告）號: CN108728695A
• 公開（公告）日: 2018-11-02
• 發明（設計）人: 曹賽男;顧海;楊建春;姜杰;李彬;張捷;吳國慶;黃天成;劉金金
• 申請（專利權）人: 南通理工學院
• 主分類號: C22C19/05
• 分類號: C22C19/05;C22C32/00;C22C1/05;B22F3/105;B22F9/04;B33Y10/00
• 代理公司: 蘇州華博知識產權代理有限公司 32232
• 代理人: 孫兵

本發明提供了一種多相納米陶瓷顆粒混雜增強鎳基合金復合材料及其激光成形方法，以鎳基高溫合金為基體，以粒徑為40～100nm的TiC、TiB₂和Al₂O₃為增強相，添加TiC、TiB₂和Al₂O₃的重量百分比分別為2.0～4.0％，2.0～4.0％，1.0～3.0％。本發明具有良好的高溫耐腐蝕性、耐磨損性、高溫蠕變性等性能優點，能夠滿足航空發動機熱端部件在高溫下的特殊性能要求。本發明方法能夠克服納米顆粒巨大的表面能帶來的團聚作用，抑制顆粒發生團聚，使顆粒均勻分布；同時在本發明方法極快的凝固速度下納米顆粒增強相能夠保持其納米特性，使最終制造的零件具有優良的冶金結合，致密度高，顯微組織細小致密，力學性能優異。

技術領域

本發明屬于鎳基合金制備領域，具體涉及一種多相納米陶瓷顆粒混雜增強鎳基高溫合金及其激光成形方法。

背景技術

鎳基高溫合金具有較高的高溫強度、高溫蠕變強度、良好的疲勞性能、斷裂韌性、良好的抗氧化和抗腐蝕性等綜合性能，它在高溫下具有良好的組織穩定性和使用可靠性，在整個高溫合金領域占有重要的地位，被廣泛地用來制造航空噴氣發動機、各種工業燃氣輪機的最熱端部件。

鎳基高溫合金是目前航空發動機熱端最主要使用的材料。航空發動機最重要的性能參數之一是推重比。隨著航空事業的發展，現代航空發動機不斷追求更高的推重比。隨著推重比的增加，必然導致高性能航空發動機渦輪進口溫度進一步提高，解決發動機熱端部件材料的耐熱問題越來越凸顯其重要性。研究表明，幾種冷卻方法組合使用，再加上防熱涂層，材料的耐熱能力可進一步提高。但總的來看，鎳基高溫合金的使用溫度已達到0.81T_m(Tm為材料的熔點)，正在接近其極限，對于提高航空發動機熱效率可挖掘的潛力已經非常有限，不能夠滿足發動機使用溫度日益提高的要求。

陶瓷顆粒增強金屬基復合材料具有高比強、比模量、耐高溫、熱膨脹系數小、抗磨損、抗腐蝕、尺寸穩定性好等性能優點，并具有材料的可設計性。其中，納米顆粒增強的金屬基復合材料能夠在提高強度和硬度等力學性能的同時保持良好的韌性、高溫蠕變性和抗疲勞強度，所以用納米陶瓷顆粒增強鎳基高溫合金能顯著提高合金的各項性能。

然而，納米陶瓷顆粒增強鎳基高溫合金的制備比微米級和亞微米級的要復雜和困難的多。主要難點在于：①巨大的比表面所產生的表面能使具有納米尺寸的物體之間存在極強的團聚作用，而且陶瓷顆粒與基體金屬密度差異大，易引發團聚，降低增強相顆粒對基體金屬的強化效應；②納米陶瓷顆粒增強金屬基復合材料在高溫制備時勢必會發生嚴重的界面反應，陶瓷材料的高熔點以及其與基體材料的低潤濕性和較大線膨脹系數差異會導致界面結合問題。

目前納米陶瓷顆粒增強鎳基高溫合金的傳統加工方法主要有粉末冶金法、鑄造、噴射沉積法、原位復合法等。粉末冶金法將合金粉末和增強顆粒經過高能球磨法均勻混合，經去氣、成型，然后燒結成所需形狀零件。然而由于采用機械合金化法得到的納米粉末存在巨大的表面能和晶格畸變能，這些能量經受傳統燒結方法的高溫、在長時間燒結過程中得以充分釋放，從而導致晶粒迅速長大，難以保持原有納米顆粒的尺寸和特性。同時，粉末冶金法工藝復雜，生產效率低，基體金屬易氧化，納米顆粒與基體間均勻分散困難；鑄造不能兼顧陶瓷增強顆粒的均勻性與含量，陶瓷顆粒極易偏聚，成形部件性能較差，易帶鑄造缺陷。

湖南大學的嚴紅革等人采用噴射沉積法成形陶瓷顆粒增強鋁基復合材料(專利號CN 101775527 B)，將金屬熔體和陶瓷增強相顆粒在霧化器內混合，然后霧化噴射到水冷的基體上成型。該方法由于金屬熔體和陶瓷增強相顆粒接觸的時間極短，能有效地控制界面化學反應，但是也存在著孔隙率高、原材料損失大等缺陷。

華北電力大學的劉宗德等人采用熔鑄法原位反應合成TiCx顆粒增強鎳基復合材料(專利號CN 101649398 B)。原位復合法能很好地解決增強體與金屬基體之間的潤濕性和界面問題，但是工藝過程要求嚴格，很難掌握，增強相的成分和體積分數較難控制，難以避免其他副反應夾雜物的存在。