一种激光粉末床熔融制备GH99镍基合金成形工艺制造技术

一种激光粉末床熔融制备GH99镍基合金成形工艺属于金属增材制造领域，将粉末材料制备成旋转电极，转速为20000

【技术实现步骤摘要】
一种激光粉末床熔融制备GH99镍基合金成形工艺


[0001]本专利技术属于金属增材制造领域，特别涉及一种激光粉末床熔融制备GH99镍基合金成形工艺。

技术介绍

[0002]GH99(GH4099)是以镍元素为基体，以Gamma prime相Ni3(Al,Ti)为主要强化相的沉淀强化型镍基高温合金。GH99合金构件可在900℃以上服役，最高可突破1000℃，因此被广泛应用于航空发动机燃烧室、燃气轮机热端部件等高温部件。近年来，随着航空航天领域的发展，对GH99合金制造的零部件需要与日俱增，同时对合金的结构设计及性能要求越来越高。
[0003]GH99合金构件的成形方式主要是锻造、铸造、焊接以及机加工等方法。然而GH99合金组成元素种类繁多，金属溶体流动性低，铸造性较差。GH99含有W、Co、Cr等硬质合金元素，导致锻造性差且刀具磨损严重不易机加工。而且对于锻造、铸造、焊接以及机加工：一方面成形周期大，浪费大量的人力物力，还会对环境造成污染，不符合低碳环保以及碳中和理念；另一方面这些工艺设计自由度低，对于复杂几何结构，如内流道、蜂窝结构、小型曲面涡轮等成形较为困难。因此，寻找一种成形效率高、低碳环保且成形自由度高的工艺显得格外重要。
[0004]激光粉末床熔融(Laser powder bed fusion，LPBF)是金属增材制造(俗称3D打印)中的典型工艺，LPBF工艺是以高能激光高斯束作为能量源，按照三维计算机辅助制图(CAD)切片模型中规划好的扫描路径在金属粉末床进行逐层扫描，扫描过的金属粉末是一个快速非平衡凝固过程，金属粉末激光能量作用下快速熔化及凝固从而是粉末材料达到冶金结合，最终得到所设计的三维实体。LPBF工艺与铸造、锻造、焊接等传统成形工艺相比，具有一些独特的优势，如成形自由度大、成形工序简单效率高、低碳环保经济等优点。凭借自身独特的优势，LPBF工艺已经应用在钛合金、高温合金、钢、铜合金等金属材料。
[0005]LPBF工艺的优点恰能解决GH99合金传统工艺的不足，LPBF工艺极大的扩大了GH99合金的成形方式和设计自由度。在LPBF合金成形后，力学性能还需要改善，设计合理的热处理方法，达到高于合金传统成形方式的力学性能是及其重要的。本专利技术针对GH99合金构件目前存在的不足创新地采用LPBF工艺并优化出最佳的热处理方法，旨在更好的拓宽GH99构件的工程化应用。

技术实现思路

[0006]针对现有问题，本专利技术提供了一种激光粉末床熔融制备GH99成形工艺，通过本专利技术制备和GH99合金致密度高、无裂纹等缺陷且具有优异的力学性能。
[0007]为实现以上目的，本专利技术的技术方案是：一种激光粉末床熔融制备GH99成形工艺，具体步骤如下：
[0008]S1)运用SS
‑
PREP制备GH99镍基高温合金粉末，将制备好的粉末在烘干箱内保持80
℃～120℃预热4～6小时，冷却后待用。
[0009]S2)利用S1)所得的粉末进行激光粉末床熔融工艺成形，通过工艺优化制备出高致密且无缺陷的试样。
[0010]S3)对S2)所得合金进行固溶和时效热处理，在选择最优的热处理工艺后，得到力学性能优异的合金。
[0011]进一步，所述步骤S1)中，将粉末材料制备成旋转电极，其转速为20000
‑
45000r/min，电流为850
‑
1500A，进给速度为1.5
‑
3.0mm/s，氩气氛围，冷却温度为23℃～25℃。
[0012]进一步，所述粉末粒度分布满足D10在16μm～25μm，D50在34～42μm，D90为50μm～55μm；其他测试结果满足霍尔流速不大于13.1s/50g，松装密度不大于4.92g/cm3，振实密度不大于5.21g/cm3，粉末球形度比例不低于0.98。
[0013]进一步，GH99粉末各元素质量百分比满足：Cr含量为17.0％～21.2％，Co含量为5.0％～8.0％，W含量为5.5％～7.0％，Mo含量为3.5％～4.2％，Al含量为1.7％～2.4％，Ti含量为1.0％～1.5％，Fe含量不高于1.0％，C含量不高于0.055％，Mn不高于0.035％，Si、B、Ce、P、S含量均小于0.003％，余量为Ni。
[0014]进一步，步骤S2)包括以下步骤：
[0015]S2.1)在Magic 14.0软件绘制打印所需三维实体模型，设置好打印参数后切片并导入打印设备；
[0016]S2.2)选用不锈钢基板并预热到180～200℃，然后在氩气环境中进行实体打印；
[0017]S2.3)打印完成后，待基板冷却到室温后取出，取出后用线切割使样品与基板分离。
[0018]进一步，步骤S2.1)所述LPBF工艺参数为：激光功率(280W～320W)、激光扫描速度(900mm/s～1010mm/s)、扫描间距(0.11mm～0.13mm)、铺粉层厚为0.04mm，采用Stripes扫描策略，相邻两层旋转角为67
°
。
[0019]进一步，所述步骤S3)的热处理工艺为固溶+时效热处理的组合方式，具体如下：
[0020]S3.1)固溶热处理：1100℃～1200℃保温1h～2h，空冷至室温，然后进行S3.2)步骤；
[0021]S3.2)时效热处理：900℃～980℃保温5h～10h，随炉冷却至室温。
[0022]进一步，成形态试样(未进行热处理)力学性能为：抗拉强度≥940MPa，屈服强度≥680，延伸率≥38％。
[0023]进一步，热处理态试样力学性能：抗拉强度≥1100MPa，屈服强度≥700MPa，延伸率≥40％。
[0024]本专利技术的有益效果是：得益于以上技术方案，拓宽了GH99合金的成形方式，制备了高致密、无裂纹等缺陷且力学性能优异的合金，有效的解决了铸造、锻造、焊接及机加工所带来的不足，极大的提高了GH99合金的设计自由度和成形效率，为GH99合金在航空航天等领域工程化应用提供了重要的技术参考。
附图说明
[0025]图1为本专利技术通过SS
‑
PREP工艺制备的粉末SEM图。
[0026]图2为本专利技术在最优参数下(激光功率为300W，激光扫描速度为950mm/s，扫描间距
为0.12mm，铺粉层厚为0.04mm)合金在不同放大倍数下的金相图。
[0027]图3为本专利技术在成形态和热处理态下的应力应变曲线图。
具体实施方式
[0028]为使本专利技术的实施例的目的、技术方案、优势更加明了，下面本专利技术实施例有助于相关领域技术人员更好的读懂该专利技术，很明显，实施例仅为部分实施例，并不是所有实施例。值得一提的是，对相关领域的技术人员而言，在不违背该专利技术基本的构想外，还可以做出适当的改进。这些都在该专利技术的保护范围以内。
[0029]实施例1
[0030]一种激光粉末床熔融制备GH99成形工艺，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光粉末床熔融制备GH99镍基合金成形工艺，其特征在于，包括如下步骤：S1)运用SS
‑
PREP制备GH99镍基高温合金粉末，将制备好的粉末在烘干箱内保持80℃～120℃预热4～6小时，冷却后待用；S2)利用S1)所得的粉末进行激光粉末床熔融工艺成形，制备试样；S3)对S2)所得的试样进行固溶和时效热处理，得到合金；所述步骤S1)中，将粉末材料制备成旋转电极，其转速为20000
‑
45000r/min，电流为850A
‑
1500A，进给速度为1.5
‑
3.0mm/s，氩气氛围，冷却温度为23℃～25℃；粉末粒度分布满足D10在16μm～25μm，D50在34～42μm，D90为50μm～55μm；步骤S2)包括以下步骤：S2.1)在Magic 14.0软件绘制打印所需三维实体模型，设置好打印参数后切片并导入打印设备；设置的打印参数为：激光功率为280W～320W、激光扫描速度为900mm/s～1010mm/s、扫描间距为0.11mm～0....

【专利技术属性】
技术研发人员：张冬云，黄国亮，冯星涛，徐艺璇，张泰，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：