一种稀土高温合金构筑材料及其超限精密铸造方法技术

本发明专利技术提供一种稀土高温合金构筑材料及其超限精密铸造方法，材料包括以下组分及质量百分含量：稀土元素0.0001％

【技术实现步骤摘要】
一种稀土高温合金构筑材料及其超限精密铸造方法


[0001]本专利技术涉及新高温材料设计与制备领域，具体地，涉及一种稀土高温合金构筑材料及其超限精密铸造方法。

技术介绍

[0002]稀土有“工业维生素”的美誉，微量稀土元素的加入，就能强化材料的基体和晶界，大幅提升材料的强度和塑性。高温合金在600℃以上长期稳定工作，广泛用于航空发动机、高超飞行器热端构件的制造，其在航空航天重大装备中不可或缺、不可替代，稀土的加入不但能净化高温合金熔体，提高高温合金成型性能和冶金质量，而且能在一定成分范围内大幅提高高温合金抗氧化性。然而，高温合金自身较高的密度限制了其在新一代高性能飞行器中使用范围。通过多孔结构设计实现结构减重是高温合金轻量化的重要途径之一。在传统多孔材料研究领域，科研人员构建了一系列的半定量公式来表达其结构与性能之间的关系，最为经典的是模量和强度与密度关系的Gibson
‑
Ashby公式，
[0003][0004][0005]上式中，E，σ和ρ分别为多孔材料的弹性模量、强度和密度，E0，σ0和ρ0分别为母体材料的弹性模量、强度和密度，n和m为与孔结构有关的常数项。对于泡沫铝等以弯曲变形机制为主导的传统金属多孔材料而言，上式中的n＝2，m＝1.5。即多孔材料的弹性模量和屈服强度分别与相对密度的2次方和1.5次方成正比，这是导致传统金属多孔材料表现出较低的强度和刚度，无法作为承载结构材料使用的理论基础。
[0006]近年来科研人员另辟蹊径决定从多孔结构设计入手，通过类似晶体点阵的规则孔结构设计，结合3D打印等新型制备技术，研发新型多孔分级构筑材料。构筑材料是指内部包含一定数量孔隙满足特定需求的固体材料，孔隙率通常大于10％，孔隙的尺度通常小于厘米量级，且孔尺寸可以进行分级设计。相比于传统多孔材料，多孔构筑材料的孔结构设计更加灵活多变，更加有利于通过孔结构设计实现对性能的调控，能够开发出具有负泊松比等超常性能的新型构筑材料。相比其它材质的多孔构筑材料，高温合金构筑材料因继承了致密合金材料优异的强韧性、可加工性和耐高温性，能够较好的满足航空航天结构设计师对耐高温、轻质与高强性能的迫切需求，具有广阔的应用前景。然而，传统的锻铸焊加工技术在制备构筑材料，尤其是高温合金构筑材料方面遇到了巨大挑战，新型的金属增材制造技术也难以实现极端耐高温的高温合金3D打印成型。此外，具有多尺度密集微孔结构的高温合金构筑材料显然也超出了传统精密铸造技术的极限，迫切需要开展深入系统的超限精密铸造技术研究，解决稀土高温合金构筑材料超限精密成型难题。
[0007]经检索，目前尚未发现与本专利技术目的相同或类似的技术报道。

技术实现思路

[0008]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种稀土高温合金构筑材料及其超限精密铸造方法。
[0009]根据本专利技术的一个方面，提供一种稀土高温合金构筑材料，所述材料包括以下组分及质量百分含量：
[0010]稀土元素0.0001％
‑
2.0％
[0011]余量为高温合金；
[0012]其中：稀土元素为Sc，Y，镧(La)系元素中一种或多种。
[0013]优选地，所述高温合金为铸造类高温合金，此时，所述稀土元素加入量质量百分数为1ppm
‑
1.0％。
[0014]优选地，所述高温合金为锻造类高温合金，此时，所述稀土元素加入量质量百分数为1ppm
‑
0.5％。
[0015]优选地，所述高温合金为锻造类高温合金，此时，所述稀土元素加入量质量百分数为1ppm
‑
2.0％。
[0016]根据本专利技术的另一个方面，提供一种稀土高温合金构筑材料的制备方法，包括：
[0017]将选用的高温合金原料棒放入真空感应炉中镁砂坩埚底部，熔炼室抽真空直至10
‑5Pa，逐渐增加功率熔化高温合金原料棒，根据高温合金牌号不同，在1550℃
‑
1650℃之间精炼，将高温熔体降至1500℃，投入稀土，浇注到模具中获得稀土高温合金棒材。
[0018]根据高温合金牌号类别，后续可进行铸造、锻造或制粉增材制造成型稀土高温合金构件。
[0019]根据本专利技术的第三个方面，提供一种稀土高温合金构筑材料的超限精密铸造方法，包括：
[0020]借鉴晶体结构或自然界广泛存在的多孔结构，进行稀土高温合金构筑材料的结构拓扑或分形设计，得到所需的构筑结构；
[0021]采用蜡模3D打印技术，制备上述构筑结构的蜡模，压制浇冒系统蜡模，将浇冒系统蜡模组装到构筑结构蜡模上，再进行多次粘浆与淋砂操作，其中第二次淋砂后，进行充芯操作，脱蜡焙烧后，熔炼具有良好填充能力的稀土高温合金棒材，进行重力或离心精密铸造，获得最终稀土高温合金构筑材料。
[0022]优选地，所述进行重力或离心精密铸，其中稀土高温合金棒材为圆形结构，则采用离心铸造，以增强充型压力和节省高温合金金属液。
[0023]优选地，所述进行重力或离心精密铸，其中稀土高温合金棒材为非圆形结构，则采用重力铸造，以保证稀土高温合金构筑材料的宏观成分均匀性。
[0024]本专利技术通过以上极限精密制造方法，即可获得兼具高性能与轻质化的稀土高温合金构筑材料。
[0025]与现有技术相比，本专利技术实施例具有如下至少一种有益效果：
[0026]本专利技术采用第一原理和高通量相图计算，筛选稀土元素优化传统高温合金熔体特性，大幅提高了高温合金的可成型性能，使其能够良好的填充复杂密集间隙结构，为构筑材料研制提供了基础材料。
[0027]本专利技术通过借鉴晶体结构或自然界广泛存在的多孔结构，进行多级构筑结构设
计，实现了兼具轻质化与高性能多级构筑结构优化设计。通过蜡模3D打印再现多级构筑材料精密结构设计，结合超限精密铸造技术，实现了稀土高温合金构筑材料成型，为航空航天先进热端部件功能实现提供了强有力的技术支持。
附图说明
[0028]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0029]图1为本专利技术一实施例中3D打印构筑结构蜡模；
[0030]图2为本专利技术一实施例中构筑材料充芯操作；
[0031]图3为本专利技术一实施例中稀土高温合金构筑材料；
[0032]图4为本专利技术一实施例中具有深海花篮胞元结构的稀土高温合金构筑材料示意图；
[0033]图5为本专利技术一实施例中K4002基稀土高温合金构筑材料微观组织；
[0034]图6为本专利技术一实施例K4002基稀土高温合金试块示意图；
[0035]图7为本专利技术一实施例中添加稀土后IN617高温合金形成了中间氧化层；
[0036]图8为本专利技术一实施例中添加稀土后IN617高温合金氧化增重曲线。
具体实施方式
[0037]下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种稀土高温合金构筑材料，其特征在于，所述材料包括以下组分及质量百分含量：稀土元素 0.0001％
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2.0％余量为高温合金；其中：稀土元素为Sc，Y，La系元素中一种或多种。2.根据权利要求1所述的稀土高温合金构筑材料，其特征在于，所述高温合金为铸造类高温合金，此时，所述稀土元素加入量质量百分数为0.0001％
‑
1.0％。3.根据权利要求1所述的稀土高温合金构筑材料，其特征在于，所述高温合金为锻造类高温合金，此时，所述稀土元素加入量质量百分数为0.0001％
‑
0.5％。4.根据权利要求1所述的稀土高温合金构筑材料，其特征在于，所述高温合金为锻造类高温合金，此时，所述稀土元素加入量质量百分数为0.0001％
‑
2.0％。5.一种权利要求1所述的稀土高温合金构筑材料的制备方法，包括：将选用的高温合金原料棒放入真空感应炉中镁砂坩埚底部，熔炼室抽真空直至10
‑5Pa，逐渐增加功率熔化高温合金原料棒，根据高温合金牌号不同，在1550℃
‑
1650℃之间精炼，将高温熔体降至1500℃，投入稀土，浇注到模具中获得稀土高温合金棒材。6.一种采用权利要求1所述稀土高温合金构筑材料的超...

【专利技术属性】
技术研发人员：康茂东，王俊，吴贇，朱志旺，刘雅辉，周阳，高海燕，孙宝德，
申请(专利权)人：江苏中超航宇精铸科技有限公司，
类型：发明
国别省市：