【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于金属材料的增材制造，具体涉及一种增材制造低温近零膨胀因瓦合金及其制备方法。
技术介绍
1、在航空航天等领域中，由于材料本身的热胀冷缩的自然属性，在太空等极端温度条件下会降低结构的稳定性和安全可靠性，削弱材料的服役性能，甚至造成结构功能部件的破坏。近年来，随着我国航空航天领域的飞速发展，各类新设备、新器件、新型号对材料热膨胀性能的要求不断提高，如航天遥感器、精密激光、光学测量系统等领域亟需极端环境低膨胀甚至零膨胀金属材料以为保证结构系统的稳定性和尺寸精度以及测量精度。
2、因瓦合金是重要的低膨胀合金，常用于在温度波动环境下要求尺寸温度的机械部件，因瓦合金泛指在-60~200℃温度范围内热膨胀系数＜3×10-6 k-1的合金。通常金属的热膨胀系数与熔点成反比，而低膨胀合金在居里点以下因本征体积磁致伸缩效应引起的反常热膨胀，抵消了由于原子热振动变化而产生的热胀冷缩效应，致使合金宏观上表现出低膨胀特征。然而由于因瓦合金在环境温度低于-60℃会出现马氏体相变，造成结构材料热膨胀系数在低温环境下发生明显突变，这会造成因瓦合金制备的航空航天飞行器结构部件在低温环境变化时的尺寸突变，导致航空航天设备测量精度等性能的明显下降。
3、另一方面，现有的因瓦合金牌号主要为锻压牌号，成形复杂结构的能力较弱，而航空航天领域对结构的复杂程度要求越来越高，增材制造工艺对于复杂构型的制备具有天然优势。
4、适量的cu、co、mn、ti等元素的加入可对因瓦合金的相变行为进行有效调控，cu、co、ti等元素的加入能够
5、逐层多次扫描的增材制造工艺是实现低温近零膨胀因瓦合金成形的有效途径，然而现有的增材制造工艺通常采用多次重熔的方式实现材料的逐层多次扫描，目前主要集中在单道次实验研究，效率极低，难于满足零件级的成形要求；同时，重熔过程中无法自动改变二次扫描的工艺参数，也无法调整材料模型的外轮廓等细节尺寸，这会使得材料增材制造过程中能量过高、成形精度不足，无法满足高精度低温近零膨胀因瓦合金的有效制备。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于：提供一种增材制造低温近零膨胀因瓦合金及其制备方法。
2、为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、一种增材制造低温近零膨胀因瓦合金，原材料按重量百分比包含以下化学成分：铜：0.35%~0.42%、钴：4.2%~4.7%、锰：0.15%~0.25%、钛：0.5%~1.2%，镍：30.5%~32.0%、碳：≤0.01%、硅：≤0.1%，余量为铁和不可避免的杂质；所述增材制造低温近零膨胀因瓦合金在-170℃~0℃平均热膨胀系数≤0.4×10-6 k-1，且在-170℃~0℃温度区间内，增材制造低温近零膨胀因瓦合金不会发生不可逆相变。
4、进一步，所用的原材料为因瓦合金粉末，粉末粒径为15μm~53μm；不可避免的杂质按重量百分比占原材料，其中氧：≤0.04%、氮：≤0.003%。
5、进一步，所述增材制造低温近零膨胀因瓦合金应用于航空航天领域极端环境服役条件下热稳定结构部件中。
6、一种增材制造低温近零膨胀因瓦合金的制备方法，采用选区激光熔化增材制造工艺制备加工所述的增材制造低温近零膨胀因瓦合金，具体步骤如下：
7、步骤一、采用三维设计软件设计增材制造低温近零膨胀因瓦合金零件形状尺寸，建立增材制造低温近零膨胀因瓦合金零件的三维模型；
8、步骤二、采用切片软件对步骤一中建立的增材制造低温近零膨胀因瓦合金零件三维模型进行两次切片，得到模型1和模型2，对模型1和模型2进行定坐标变缩尺以及有序化处理后，采用逐层二次扫描、变换扫描策略的选区激光熔化增材制造工艺制备增材制造低温近零膨胀因瓦合金零件；每层第一次扫描采用低功率、高扫描速度为特征的增材制造工艺；第二次扫描参数为：第二次扫描过程扫描功率为对应第一次扫描功率的20%~50%，第二次扫描过程体能量密度为对应第一次的20%~50%，第二次扫描角度变换30°~60°，其他参数保持不变；
9、步骤三、对步骤二所获得的增材制造低温近零膨胀因瓦合金零件进行热处理，热处理特征为固溶处理，热处理温度为800℃~870℃，热处理时间为1小时~15小时。
10、进一步，步骤二中所述的有序化处理为将切片后的平面文件进行编程重新排序，排列顺序为模型1第1层、模型2第1层、模型1第2层、模型2第2层，直至模型1第n层、模型2第n层，所述第n层为模型上表面最后1层，其中模型1各层为每层第一次扫描参数，模型2各层为第二次扫描参数。
11、进一步，步骤二中所述的定坐标为模型1和模型2的底面二维切片的图形中心坐标相同，变缩尺为将模型1和模型2底面二维切片的图形中心坐标固定，模型1缩尺为1‰~5‰，模型2缩尺为2.5‰~7‰，其中模型1的缩尺小于模型2的缩尺。
12、进一步，步骤二中所述的每层第一次扫描参数为：低功率为80w~120w，高扫描速度为1000mm/s~1200mm/s；扫描间隔为80μm~120μm，单层层厚为20μm~40μm，扫描角度为45°~90°，体能量密度为25j/mm3~41.7j/mm3。
13、进一步，步骤二中选区激光熔化增材制造过程中成形室氧含量不高于50ppm。
14、本专利技术有益效果：
15、1.热膨胀系数稳定。马氏体相变会导致材料临近相变温度区间热膨胀系数突变，本专利技术通过成分调控和增材制造工艺的协同调控，延缓了因瓦合金材料在低温-60℃附近普遍存在的马氏体相变现象，本专利技术通过成分和制备工艺的调控实现了因瓦合金材料在低温环境下稳定的热膨胀性能。
16、2.低温宽温域。狭窄的许用温度范围和低温热膨胀性能不足一直是影响因瓦合金发挥的瓶颈问题。本专利技术通过合金成分调控和增材制造工艺的协同设计，实现了近零膨胀因瓦合金在低温环境下宽温域的应用要求，扩大了因瓦合金低膨胀特性的适用温度区间，本专利技术的近零膨胀因瓦合金材料的温度区间为-170℃~0℃。
17、3.近零膨胀。本专利技术通过成分调控和增材制造工艺的协同设计，使材料整体呈现近零膨胀特征，制备的因瓦合金材料在适用温度范围内的热膨胀系数不高于0.4×10-6k-1。
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1.一种增材制造低温近零膨胀因瓦合金，其特征在于，原材料按重量百分比包含以下化学成分：铜：0.35%~0.42%、钴：4.2%~4.7%、锰：0.15%~0.25%、钛：0.5%~1.2%，镍：30.5%~32.0%、碳：≤0.01%、硅：≤0.1%，余量为铁和不可避免的杂质；所述增材制造低温近零膨胀因瓦合金在-170℃~0℃平均热膨胀系数≤0.4×10-6 K-1，且在-170℃~0℃温度区间内，增材制造低温近零膨胀因瓦合金不会发生不可逆相变。
2.根据权利要求1所述的增材制造低温近零膨胀因瓦合金，其特征在于，所用的原材料为因瓦合金粉末，粉末粒径为15μm~53μm；不可避免的杂质按重量百分比占原材料，其中氧：≤0.04%、氮：≤0.003%。
3.根据权利要求1所述的增材制造低温近零膨胀因瓦合金，其特征在于，所述增材制造低温近零膨胀因瓦合金应用于航空航天领域极端环境服役条件下热稳定结构部件中。
4.一种增材制造低温近零膨胀因瓦合金的制备方法，其特征在于，采用选区激光熔化增材制造工艺制备加工如权利要求1所述的增材制造低温近零膨胀因瓦合金，具体
5.根据权利要求4所述的增材制造低温近零膨胀因瓦合金的制备方法，其特征在于：步骤二中所述的有序化处理为将切片后的平面文件进行编程重新排序，排列顺序为模型1第1层、模型2第1层、模型1第2层、模型2第2层，直至模型1第n层、模型2第n层，所述第n层为模型上表面最后1层，其中模型1各层为每层第一次扫描参数，模型2各层为第二次扫描参数。
6.根据权利要求4所述的增材制造低温近零膨胀因瓦合金的制备方法，其特征在于：步骤二中所述的定坐标为模型1和模型2的底面二维切片的图形中心坐标相同，变缩尺为将模型1和模型2底面二维切片的图形中心坐标固定，模型1缩尺为1‰~5‰，模型2缩尺为2.5‰~7‰，其中模型1的缩尺小于模型2的缩尺。
7.根据权利要求4所述的增材制造低温近零膨胀因瓦合金的制备方法，其特征在于，步骤二中所述的每层第一次扫描参数为：低功率为80W~120W，高扫描速度为1000mm/s~1200mm/s；扫描间隔为80μm~120μm，单层层厚为20μm~40μm，扫描角度为45°~90°，体能量密度为25J/mm3~41.7J/mm3。
8.根据权利要求4所述的增材制造低温近零膨胀因瓦合金的制备方法，其特征在于，步骤二中选区激光熔化增材制造过程中成形室氧含量不高于50ppm。
...【技术特征摘要】
1.一种增材制造低温近零膨胀因瓦合金，其特征在于，原材料按重量百分比包含以下化学成分：铜：0.35%~0.42%、钴：4.2%~4.7%、锰：0.15%~0.25%、钛：0.5%~1.2%，镍：30.5%~32.0%、碳：≤0.01%、硅：≤0.1%，余量为铁和不可避免的杂质；所述增材制造低温近零膨胀因瓦合金在-170℃~0℃平均热膨胀系数≤0.4×10-6 k-1，且在-170℃~0℃温度区间内，增材制造低温近零膨胀因瓦合金不会发生不可逆相变。
2.根据权利要求1所述的增材制造低温近零膨胀因瓦合金，其特征在于，所用的原材料为因瓦合金粉末，粉末粒径为15μm~53μm；不可避免的杂质按重量百分比占原材料，其中氧：≤0.04%、氮：≤0.003%。
3.根据权利要求1所述的增材制造低温近零膨胀因瓦合金，其特征在于，所述增材制造低温近零膨胀因瓦合金应用于航空航天领域极端环境服役条件下热稳定结构部件中。
4.一种增材制造低温近零膨胀因瓦合金的制备方法，其特征在于，采用选区激光熔化增材制造工艺制备加工如权利要求1所述的增材制造低温近零膨胀因瓦合金，具体步骤如下：
5.根据权利要求4所述的增材制造低温近零膨胀因瓦合金的...
【专利技术属性】
技术研发人员：魏彦鹏，马英纯，苗治全，于波，成京昌，李怀乾，周浩然，时坚，关书文，
申请(专利权)人：中国机械总院集团沈阳铸造研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：
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