【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及镍基高温合金，具体为一种抗杂晶缺陷的增材制造用单晶高温合金材料及其制备方法，该合金具有强度高、易于增材制造的特点，还具有良好的组织稳定性，特别适用于航天、航空、舰船、石油化工等领域高温部件的增材制造。
技术介绍
1、镍基高温合金是先进航空航天发动机高温结构件的关键材料，随着航空运输经济效益的提高，高温合金结构件也日益复杂，传统的铸造难以实现。增材制造融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料通过激光、电子束或电弧等高能量束流的方式逐层堆积。相对于传统的铸造方法，增材制造可实现的复杂结构件制造变为可能。但是，由于高温合金中含有大量的al、ti等元素，增材制造单晶高温合金构件过程中形成杂晶(图1-2)，杂晶的形成是导致构件报废的主要因素。
2、基于以上述背景，期望能获得一种抗杂晶缺陷的增材制造用单晶高温合金材料及制备方法。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种抗杂晶缺陷的增材制造用单晶高温合金材料及其制备方法，该合金在获得较高高温合金性能的同时，具有在增材制造过程中可有效降低杂晶形成倾向性，即较好的工艺性。
2、为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
3、一种抗杂晶缺陷的增材制造用单晶高温合金材料，按重量百分比计，该合金化学成分如下：
4、一种抗杂晶缺陷的增材制造用单晶高温合金材料，按重量百分比计，该合金化学成分如下：
5、c 0.06～
6、该高温合金材料中，强化相γ′相形成元素al、ta和hf重量百分比含量限定为：12.0wt.％≤al+ta+hf≤14.0wt.％，且0.9≤al/ta≤1.1，3.5≤al/hf≤4.5，以确保合金中具有较高的γ′相含量，从而使合金具有较高的高温力学性能，此外，这些元素在凝固过程中易偏析于液相(k＜1)，加剧液相的成分过冷，易导致杂晶的形成。
7、该高温合金材料中，将偏析系数k≈1的元素的含量提高(如cr、co和ru的含量可提高其含量)，并用k≈1的元素来调整其他元素的偏析行为。
8、优选地，控制合金中cr、co和ru的含量为：19.0wt.％≤cr+co+ru。
9、偏析系数k＝∣1-k0∣，k0为溶质元素的分配系数。各元素在不同合金中的分配系数是不同的，因此枝晶偏析程度也不同，分配系数k0越小(k0<1时)或k0越大，则枝晶偏析越严重。因此可以用偏析系数k定性的衡量枝晶偏析的程度，偏析系数k越大，则枝晶偏析越严重。
10、该高温合金材料中，通过添加大量偏析系数k＞1的元素，促进cr、co和ru等元素向液相偏析，以降低al、ta、hf等元素的偏析。
11、优选地，控制合金中w、mo和re含量为：10.0wt.％≤w+mo+re≤11.0wt.％。
12、所述抗杂晶缺陷的增材制造用单晶高温合金材料的制备方法，是按合金成分配料后熔炼合金锭，然后进行热处理；热处理制度为去应力处理温度在γ′相溶解温度以上20-40℃，时间1-4h，抑制合金发生再结晶，同时为了抑制合发生开裂向合金施加压应力，应力值为合金在该温度的屈服强度±20mpa。
13、按照上述合金成分制备母合金锭，加工成氩气雾化用的棒材，并在氩气雾化炉进行雾化制粉；再采用增材制造的方法制备成单晶结构件，最后进行热等静压处理。
14、所述热等静压处理温度在γ′相溶解温度以上20-40℃，时间1-4h，以抑制合金发生再结晶，同时为了抑制合发生开裂向合金施加压力，压力值为合金在该热等静压处理温度时的屈服强度±20mpa。
15、本专利技术合金的化学成分设计原理如下：
16、1、本专利技术镍基高温合金由基体γ相、强化相γ′相和碳化物相组成，其中，强化相γ′相的体积分数为55％～65％。
17、al、ta和hf都是γ'相形成元素，决定合金中强化相的数量及强化效果，通过加入较大量的铝、ta和铪元素(12.0wt.％≤al+ta+hf≤14.0wt.％)且限制0.9≤al/ta≤1.1、3.5≤al/hf≤4.5，以形成高体积分数的γ′相来提高其强度；同时特定量hf元素的添加可以有效提高单晶高温合金小角度晶界的强度，并且在保证合金具有较高初熔温度的前提下，能够降低增材制造单晶热裂纹形成倾向性，使其具有较高的工艺性能强化相γ′相形成元素含量。
18、cr在镍基高温合金的作用是增加抗氧化、腐蚀和固溶强化能力，当合金中含有较多w、mo等强化元素时，过高的cr会降低合金的组织稳定性，引起拓扑密排相(tcp)的析出，而该合金中仅含有少量的mo元素，可提高cr的含量来提高性能。此外，在增材制造合金中，cr元素的添加可以显著降低合金γ′相快速析出所引起的残余应力，因此本专利技术中cr的含量为6.0～8.0％。
19、增材过程中杂晶的形成与过冷度密切相关，合金凝固过程中，合金成分的偏析易于在液相中形成较大的过冷度，导致杂晶的形成。因此，为了提高合金的抗杂晶形成能力，需要合理控制凝固过程中合金元素的偏析，凝固过程中偏析系数k≈1的的元素cr、co和ru的含量可提高其含量，并用k≈1等元素来调整其他元素的偏析行为，故限制：19.0wt.％≤cr+co+ru。
20、对于凝固过程中偏析系数k＞1的w、mo和re元素凝固过程中偏析于固相，加剧液相的成分过冷，易导致杂晶的形成，可通过添加大量的k＞1的元素，促进cr、co和ru等元素向液相偏析，以降低al、ta、hf的含量，故限制：10.0wt.％≤w+mo+re≤11.0wt.％。
21、本专利技术具有如下优点和有益效果：
22、1、本专利技术合金的密度为8.4g/cm3～8.7g/cm3。
23、2、与传统合金相比，采用本专利技术合金更易于采用增材制造的方法制备单晶。
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1.一种抗杂晶缺陷的增材制造用单晶高温合金材料，其特征在于：按重量百分比计，该合金化学成分如下：
2.按照权利要求1所述的抗杂晶缺陷的增材制造用单晶高温合金材料，其特征在于：该高温合金材料中，强化相γ′相形成元素Al、Ta和Hf重量百分比含量限定为：12.0wt.％≤Al+Ta+Hf≤14.0wt.％，且0.9≤Al/Ta≤1.1，3.5≤Al/Hf≤4.5，以确保合金中具有较高的γ′相含量，从而使合金具有较高的高温力学性能，此外，这些元素在凝固过程中易偏析于液相(K＜1)，加剧液相的成分过冷，易导致杂晶的形成。
3.按照权利要求1所述的抗杂晶缺陷的增材制造用单晶高温合金材料，其特征在于：为了提高合金的抗杂晶形成能力，需要合理控制凝固过程中合金元素的偏析，凝固过程中将偏析系数K≈1的元素的含量提高(如Cr、Co和Ru的含量可提高其含量)，并用K≈1的元素来调整其他元素的偏析行为；其中：偏析系数K＝∣1-K0∣，K0为溶质元素的分配系数。
4.按照权利要求1或3所述的抗杂晶缺陷的增材制造用单晶高温合金材料，其特征在于：该单晶高温合金材料化学成分中
5.按照权利要求1所述的抗杂晶缺陷的增材制造用单晶高温合金材料，其特征在于：凝固过程中偏析系数K＞1的W、Mo和Re元素在凝固过程中偏析于固相，加剧液相的成分过冷，易导致杂晶的形成，可通过添加大量K＞1的元素，促进Cr、Co和Ru等元素向液相偏析，以降低Al、Ta、Hf等元素的偏析。
6.按照权利要求1或5所述的抗杂晶缺陷的增材制造用单晶高温合金材料，其特征在于：该单晶高温合金材料化学成分中，控制W、Mo和Re含量为：10.0wt.％≤W+Mo+Re≤11.0wt.％。
7.按照权利要求1所述的抗杂晶缺陷的增材制造用单晶高温合金材料的制备方法，其特征在于：该方法首先制备母合金锭，加工成氩气雾化用的棒材，并在氩气雾化炉进行雾化制粉；再采用增材制造的方法制备成单晶结构件，最后进行热等静压处理。
8.按照权利要求7所述的抗杂晶缺陷的增材制造用单晶高温合金材料的制备方法，其特征在于：所述热等静压处理温度在γ′相溶解温度以上20-40℃，时间1-4h，以抑制合金发生再结晶，同时为了抑制合发生开裂向合金施加应力，压力值为合金在该处理温度时的屈服强度±20MPa。
...【技术特征摘要】
1.一种抗杂晶缺陷的增材制造用单晶高温合金材料，其特征在于：按重量百分比计，该合金化学成分如下：
2.按照权利要求1所述的抗杂晶缺陷的增材制造用单晶高温合金材料，其特征在于：该高温合金材料中，强化相γ′相形成元素al、ta和hf重量百分比含量限定为：12.0wt.％≤al+ta+hf≤14.0wt.％，且0.9≤al/ta≤1.1，3.5≤al/hf≤4.5，以确保合金中具有较高的γ′相含量，从而使合金具有较高的高温力学性能，此外，这些元素在凝固过程中易偏析于液相(k＜1)，加剧液相的成分过冷，易导致杂晶的形成。
3.按照权利要求1所述的抗杂晶缺陷的增材制造用单晶高温合金材料，其特征在于：为了提高合金的抗杂晶形成能力，需要合理控制凝固过程中合金元素的偏析，凝固过程中将偏析系数k≈1的元素的含量提高(如cr、co和ru的含量可提高其含量)，并用k≈1的元素来调整其他元素的偏析行为；其中：偏析系数k＝∣1-k0∣，k0为溶质元素的分配系数。
4.按照权利要求1或3所述的抗杂晶缺陷的增材制造用单晶高温合金材料，其特征在于：该单晶高温合金材料化学成分中，控制cr、co和ru的含量为：19.0wt...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨彦红，周亦胄，李金国，孙晓峰，王新广，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：
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