一種近終成形多孔鎳基ods合金的方法
2023-05-18 20:13:26 1
專利名稱：一種近終成形多孔鎳基ods合金的方法
技術領域：
本發明屬於多孔高溫合金製備技術領域，特別提供了一種以機械合金化粉末為原料，採用選擇性雷射燒結技術近終成形孔徑可控多孔鎳基(Oxide DispersionStrengthening, ODS) ODS 合金的方法。
背景技術：
多孔鎳基ODS合金具有孔徑可控、孔隙率高、比表面積大、高溫力學性能優異、抗氧化和耐腐蝕良好的優點，在各種催化劑載體、過濾器和熱交換器等領域具有廣闊的應用前景。納米複合氧化物彌散相強化是賦予多孔鎳基ODS合金優異高溫力學性能的有效措施。多孔鎳基ODS合金製備的關鍵技術是對孔隙結構進行控制。目前，多孔金屬材料的製備方法主要有熔融金屬發泡法、粉末燒結髮泡法、鬆散粉末燒結法和中空球燒結法等。熔體發泡法是一種經濟的多孔金屬的製備技術，主要用於製備多孔鋁合金。由於Ni基ODS合金的熔點和合金化元素的活性高，熔體發泡法較難製備多孔鎳基ODS合金，存在發泡劑分解速率快、孔徑分布不均勻和孔隙結構難以控制等問題。粉末燒結髮泡法、鬆散粉末燒結法和中空球燒結法工藝較複雜，難以製備複雜形狀多孔零件。選擇性雷射燒結(Selective Laser Sintering, SLS)技術為高性能多孔鎳基ODS合金的製備提供了新的思路。SLS技術具有生產周期短、成本較低的優點，並且合金成分範圍寬、成形靈活、材料利用率高，可以直接快速成形複雜形狀零部件，能夠實現多孔鎳基ODS合金的近終成形。首先，在高純惰性氣氛中進行高能球磨，將Y2O3顆粒均勻分散在金屬基體中，得到機械合金化粉末。其次，通過逐層鋪粉、逐層燒結得到複雜形狀的多孔鎳基ODS合金坯體。然後經過後續脫脂和燒結得到多孔鎳基ODS合金零部件。可以根據實際需要對孔徑大小和孔隙分布狀態 進行控制。孔隙結構通過調節鎳基ODS合金粉末的粒徑、粒徑分布和形貌來進行控制。對於要求單一孔徑和孔徑分布均勻的多孔坯體，需要對鎳基ODS合金粉末進行分級和球化處理，旨在獲得單一粒徑的球形ODS合金粉末。多孔體的強度可以通過鎳基合金的成分設計和二次燒結工藝參數的選擇來進行優化。SLS技術製備的多孔鎳基ODS合金適合在耐高溫、耐腐蝕和抗氧化的條件下進行使用，並且孔隙率、孔徑大小和孔隙形貌具有可設計性。
發明內容
本發明的目的在於提供一種選擇性雷射燒結近終成形多孔鎳基ODS合金的方法，旨在解決複雜形狀多孔鎳基ODS合金成形和孔隙結構控制困難的問題。多孔鎳基ODS合金的孔隙率和孔徑的可設計性強、高溫強度高、原料粉末利用率高，適合在耐高溫、耐腐蝕和抗氧化的條件下使用。本發明首先採用機械合金化工藝獲得鎳基ODS合金粉末，並對鎳基ODS合金粉末進行分級和等離子球化。其次，在捏合機中製備聚合物包覆鎳基ODS合金粉末。接著，通過選擇性雷射快速成形得到所需形狀的鎳基ODS合金坯體。鎳基ODS合金坯體經過熱脫脂去除大部分有機聚合物。最後，通過二次燒結得到最終的多孔鎳基ODS合金。製備工藝如圖1所示，具體工藝步驟有
1、機械合金化粉末的製備按照多孔鎳鉻基ODS合金、鎳鋁基ODS合金、MA754、MA6000或PM1000的成分配比稱量鎳粉、鉻粉、招粉、鈦粉、鶴粉、鉭粉、鑰粉、鐵粉、碳粉、Y2O3顆粒和氧化物細化元素鉿粉，並將各種粉末預混合均勻，得到混合粉末。混合粉末在高純Ar氣氛中於不同的工藝參數下進行高能球磨，其中球/料比為(10^20) /I，球磨機轉速為35(Γ500轉/分，球磨時間為2Γ72小時，得到粒徑為25 150 μ m的鎳基ODS合金粉末。所述的鎳鉻基ODS 合金的成分為(l(T20wt. %) Cr- (O. 3 3wt. %) Y2O3- (O. 5 3wt. %)Hf-餘量Ni ;鎳鋁基ODS合金的成分為(5 30wt. %)Α1-(0. 3 3wt. %) Y2O3-餘量Ni ；MA754的成分為20wt. %Cr-0. 3wt. %A1_0. 5wt. %T1-l%wt. %Fe_0. 05wt. %T1-(0. 3 3wt. %)-Y2O3-餘量Ni ；MA6000 的成分為15wt. %Cr-2wt. %Mo-4wt. %ff-2%wt. %Ta_4. 5wt. %Ti_2. 5
wt. %T1-(0. 3 3wt. %) Y2O3-餘量 N1、PMlOOO 的成分為20wt. %Cr-0. 3wt. % Al-0. 5
wt. %T1-3wt. %Fe- (0. 3 3wt. %) Y2O3-餘量 Ni ；
2、鎳基ODS合金粉末的分級將不同參數下球磨後的寬粒徑分布的鎳基ODS合金粉末進行篩分，得到多種窄粒徑分布(粒徑差< 3 μ m)的鎳基ODS合金粉末；
3、鎳基ODS合金粉末的球化對窄粒徑分布的鎳基ODS合金粉末進行等離子球化，得到粒徑均勻的球形鎳基ODS合金粉末，其中送粉速率為2(Tl00g min—1，等離子輸出功率為50 90KW，真空度為KT2Pa ；
4、聚合物包覆鎳基ODS 合金粉末的製備將鎳基ODS合金粉末和熱塑性聚合物(高密度聚乙烯、聚丙烯、聚醯胺 或聚苯乙烯)的混合物放入捏合機中進行攪拌，其中聚合物在混合物中的質量分數比為(4 12)%，加熱溫度為14(T18(TC，攪拌時間為4(T90min，得到聚合物均勻包覆的鎳基ODS合金粉末，並通過機械破碎將團聚的聚合物包覆鎳基ODS合金粉末進行分散，得到粒徑為3(Γ50 μ m的聚合物包覆鎳基ODS合金粉末；
5、選擇性雷射燒結首先，利用CAD軟體設計零件的三維實體模型，並採用切片處理軟體對其進行分層切片處理，得到離散化的二維層面信息，用於成形過程控制。其次，SLS成形機的鋪粉系統在工作平臺上平鋪一層聚合物包覆鎳基ODS合金粉末，粉床預熱溫度為6(Tl80°C。接著，根據切片信息，雷射束以1(T40W的功率、1.5 2. 5m/s的掃描速度、
O.Γ0. 25mm的掃描間距、O. Γθ. 3mm的切片厚度對粉末進行逐層掃描，聚合物發生熔化並賦予坯體足夠的強度，從而得到所需複雜形狀的鎳基ODS合金坯體；
6、脫脂和二次燒結鎳基ODS合金坯體在脫脂燒結一體爐中進行脫脂和二次燒結，採用高純氬氣作為保護氣氛，脫脂工藝為f 5°C /min的升溫速率升溫到40(T50(TC，保溫2小時，然後以5 10°C /min的升溫速率升溫到70(T950°C，保溫I小時後隨爐冷卻，得到多孔鎳基ODS合金。本發明的優點是利用高能量雷射束將金屬粉末逐層熔化並成形鎳基ODS合金坯體，無需包套封裝或工裝模具，對零部件形狀的複雜程度沒有限制，是一種快速、經濟的近終成形技術，具有孔隙率和孔徑的可設計性強、原料粉末利用率高、高溫強度高，適合在耐高溫、耐腐蝕和抗氧化的條件下使用。
圖1為本發明的工藝流程圖
具體實施例方式實施例1 :多孔鎳鉻基ODS合金的製備
按照鎳鉻基ODS合金的成分[15wt. %Cr-0. 3wt. %Y203_0. 5wt. %Hf-餘量Ni]稱量鎳粉、鉻粉、Y2O3顆粒和鉿粉，並將混合粉末預混合均勻。預混合粉末在高純Ar氣氛中通過高能球磨使氧化物顆粒均勻分散在鎳基體中，其中球/料比為10/1，球磨機轉速為350轉/分，球磨時間為24小時，所得鎳基ODS合金粉末的粒徑為35 74 μ m。其次，將鎳基ODS合金粉末和熱塑性聚合物預混合均勻後放入捏合機中進行攪拌，加熱溫度為140°C，攪拌時間為40min，得到聚合物均勻包覆鎳基ODS合金粉末，並通過機械破碎將聚集的聚合物包覆鎳基ODS合金粉末進行分散，得到粒徑為45 90 μ m的聚合物包覆鎳基ODS合金粉末。接著，利用CAD軟體建立三維實體模型，並採用切片處理軟體對其進行分層切片處理，得到離散化的二維層面信息，用於成形過程控制。隨後，SLS成形機的鋪粉系統在工作平臺上平鋪一層鎳基ODS合金粉末，粉床預熱溫度為60°C。接著，根據切片信息，雷射束以IOW的功率、1. 5m/s的掃描速度、O. 15mm的掃描間距、O.1mm的切片厚度對粉末進行逐層掃描,聚合物發生熔化並賦予坯體足夠的強度，從而得 到所需複雜形狀的雷射快速成形坯體。SLS坯體在脫脂燒結一體爐中進行脫脂和燒結，採用高純氬氣作為保護氣氛。脫脂工藝為1°C /min的升溫速率升溫到400°C，保溫I小時，然後以5°C /min的升溫速率升溫到700°C，保溫I小時，然後隨爐冷卻，最終得到多孔鎳基ODS合金。所得多孔鎳基ODS合金的孔隙率為28%，平均孔徑為81 μ m0實施例2 :多孔鎳鋁基ODS合金的製備
按照鎳鋁基ODS合金的成分[20wt. %Al-lwt. %Y203-lwt. %Hf-餘量Ni]稱量鎳粉、鋁粉、Y2O3顆粒和鉿粉,並將混合粉末預混合均勻。預混合粉末在高純Ar氣氛中通過高能球磨使氧化物顆粒均勻分散在鎳基體中，其中球/料比為15/1，球磨機轉速為380轉/分，球磨時間為36小時，所得鎳基ODS合金粉末的粒徑為2廣62 μ m。其次，將鎳基ODS合金粉末和熱塑性聚合物預混合均勻後放入捏合機中進行攪拌，加熱溫度為150°C，攪拌時間為50min，得到聚合物均勻包覆鎳基ODS合金粉末，並通過機械破碎將聚集的聚合物包覆鎳基ODS合金粉末進行分散，得到粒徑為3Γ79 μ m的聚合物均勻包覆的鎳基ODS合金粉末。接著，利用CAD軟體建立三維實體模型，並採用切片處理軟體對其進行分層切片處理，得到離散化的二維層面信息，用於成形過程控制。隨後，SLS成形機的鋪粉系統在工作平臺上平鋪一層鎳基ODS合金粉末，粉床預熱溫度為80°C。接著，根據切片信息，雷射束以20W的功率、1. 5m/s的掃描速度、O.1mm的掃描間距、O. 15mm的切片厚度對粉末進行逐層掃描,聚合物發生熔化並賦予坯體足夠的強度，從而得到所需複雜形狀的雷射快速成形坯體。SLS坯體在脫脂燒結一體爐中進行脫脂和燒結，採用高純氬氣作為保護氣氛。脫脂工藝為2V Mn的升溫速率升溫到450°C，保溫I小時，然後以8°C /min的升溫速率升溫到700°C，保溫I小時，然後隨爐冷卻，最終得到多孔鎳基ODS合金。所得多孔鎳基ODS合金的孔隙率為21%，平均孔徑為72 μ m0
實施例3 :單一孔徑多孔鎳基ODS合金(MA754)的製備
按照鎳基 ODS 合金 MA754 的成分[20wt. %Cr-0. 3wt. %A1_0. 5wt. %T1-l%wt. %Fe
-0. 05wt. %C-(0. 3^3wt. %) -Y2O3-餘量Ni]稱量鎳粉、鉻粉、鋁粉、鈦粉、鐵粉、碳粉末和Y2O3顆粒，並將混合粉末預混合均勻。預混合粉末在高純Ar氣氛中通過高能球磨使氧化物顆粒均勻分散在鎳基體中，其中球/料比為20/1，球磨機轉速為400轉/分，球磨時間為48小時，所得鎳基ODS合金粉末的粒徑為25 80 μ m。將不同時間球磨後的不同粒徑的鎳基ODS合金粉末進行篩分，得到25 28 μ m的鎳基ODS合金粉末。窄粒徑分布的鎳基ODS合金粉末在送粉速率為30g · mirT1，等離子輸出功率為50KW，真空度為10_2Pa的條件下進行等離子球化處理，得到平均粒徑為26 μ m的球形鎳基ODS合金粉末。其次，將球形鎳基ODS合金粉末和熱塑性聚合物預混合均勻後放入捏合機中進行攪拌，加熱溫度為160°C，攪拌時間為60min，得到聚合物包覆鎳基ODS合金粉末，並通過機械破碎將聚集的聚合物包覆鎳基ODS合金粉末進行分散，得到粒徑為3(Γ40 μ m的聚合物均勻包覆的鎳基ODS合金粉末。接著，並採用切片處理軟體對其進行分層切片處理，得到離散化的二維層面信息，用於成形過程控制。隨後，SLS成形機的鋪粉系統在工作平臺上平鋪一層鎳基ODS合金粉末，粉床預熱溫度為100°C。接著，根據切片信息，雷射束以30W的功率、2. Om/s的掃描速度、O. 15mm的掃描間距、O. 2mm的切片厚度對粉末進行逐層掃描，聚合物發生熔化並賦予坯體足夠的強度，從而得到所需複雜形狀的雷射快速成形坯體。SLS坯體在脫脂燒結一體爐中進行脫脂和燒結，採用高純氬氣作為保護氣氛。脫脂工藝為3°C /min的升溫速率升溫到500°C，保溫I小時，然後以10°C /min的升溫速率升溫到800°C，保溫I小時，然後隨爐冷卻，最終得到多孔鎳基ODS合金。所得多孔鎳基ODS合金的孔隙率為20%，平均孔徑為63 μ m。實施例4 :單一孔徑多孔鎳基ODS合金(MA6000)的製備
按照鎳基ODS合金MA6000的成分[20wt. %Cr-0. 3wt. %Al-0. 5wt. %T1-3wt. %Fe-l. 2wt. %) Y2O3-餘量Ni]稱量鎳粉、鉻粉、鋁粉、鈦粉、鐵粉和Y2O3顆粒，並將混合粉末預混合均勻。預混合粉末在高純Ar氣氛中通過高能球磨使氧化物顆粒均勻分散在鎳基體中，其中球 /料比為15/1，球磨機轉速為450轉/分，球磨時間為72小時，所得鎳基ODS合金粉末的粒徑為2(Γ74μπι。將不同時間球磨後的不同粒徑的鎳基ODS合金粉末進行篩分，得到62飛5 μ m的鎳基ODS合金粉末。窄粒徑分布的鎳基ODS合金粉末在送粉速率為IOOg · mirT1，等離子輸出功率為60W，真空度為10_2Pa的條件下進行等離子球化處理，得到平均粒徑為64 μ m的球形鎳基ODS合金粉末。其次，將球形其鎳基ODS合金粉末和熱塑性聚合物預混合均勻後放入捏合機中進行攪拌，加熱溫度為170°C，攪拌時間為70min，得到聚合物均勻包覆的鎳基ODS合金粉末，並通過機械破碎將聚集的聚合物包覆鎳基ODS合金粉末進行分散，得到粒徑為8(Γ85 μ m的聚合物包覆鎳基ODS合金粉末。接著，利用CAD軟體建立三維實體模型，並採用切片處理軟體對其進行分層切片處理，得到離散化的二維層面信息，用於成形過程控制。隨後，SLS成形機的鋪粉系統在工作平臺上平鋪一層鎳基ODS合金粉末，粉床預熱溫度為140°C。接著，根據切片信息，雷射束以40W的功率、
2.5m/s的掃描速度、O. 2mm的掃描間距對粉末、O. 3mm的切片厚度進行逐層掃描，聚合物發生熔化並賦予坯體足夠的強度，從而得到所需複雜形狀的雷射快速成形坯體。SLS坯體在脫脂燒結一體爐中進行脫脂和燒結，採用高純氬氣作為保護氣氛。脫脂工藝為1°C /min的升溫速率升溫到400°C，保溫I小時，然後以5°C /min的升溫速率升溫到950°C，保溫I小時，然後隨爐冷卻，最終得到多孔鎳基ODS合金。所得多孔鎳基ODS合金的孔隙率為23%，平均孔徑為48 μ m。實施例5 :單一孔徑多孔鎳基ODS合金(PM1000)的製備
按照鎳基 ODS 合金 PM1000 的成分[20wt. %Cr-0. 3wt. % Al-0. 5wt. %T1-3wt. %Fe_l· 5wt. %Y203-餘量Ni]稱量鎳粉、鉻粉、鋁粉、鈦粉、鐵粉和Y2O3顆粒，並將混合粉末預混合均勻。預混合粉末在高純Ar氣氛中通過高能球磨使氧化物顆粒均勻分散在鎳基體中，其中球/料比為10/1，球磨機轉速為500轉/分，球磨時間為36小時，所得鎳基ODS合金粉末的粒徑為40^120 μ m。將不同時間球磨後的不同粒徑的鎳基ODS合金粉末進行篩分，得到69 72 μ m的鎳基ODS合金粉末。窄粒徑分布的鎳基ODS合金粉末在送粉速率為200g · mirT1，等離子輸出功率為90KW，真空度為10_2Pa的條件下進行等離子球化處理，得到平均粒徑為71 μ m的球形鎳基ODS合金粉末。其次，將球形鎳基ODS合金粉末和熱塑性聚合物預混合均勻後放入捏合機中進行攪拌，加熱溫度為180°C，攪拌時間為90min，得到聚合物均勻包覆的鎳基ODS合金粉末，並通過機械破碎將聚集的聚合物包覆鎳基ODS合金粉末進行分散，得到粒徑為8(Γ84 μ m的聚合物包覆鎳基ODS合金粉末。接著，利用CAD軟體建立三維實體模型，並採用切片處理軟體對其進行分層切片處理，得到離散化的二維層面信息，用於成形過程控制。隨後，SLS成形機的鋪粉系統在工作平臺上平鋪一層鎳基ODS合金粉末，粉床預熱溫度為180°C。接著，根據切片信息，雷射束以30W的功率、2. Om/s的掃描速度、O. 25mm的掃描間距、O. 2mm的切片厚度對粉末進行逐層掃描，聚合物發生熔化並賦予坯體足夠的強度，從而得到所需複雜形狀的雷射快速成形坯體。SLS坯體在脫脂燒結一體爐中進行脫脂和燒結，採用高純氬氣作為保護氣氛。脫 脂工藝為2V /min的升溫速率升溫到500°C，保溫I小時，然後以6°C /min的升溫速率升溫到900°C，保溫I小時，然後隨爐冷卻，最終得到多孔鎳基ODS合金。所得多孔鎳基ODS合金的孔隙率為31%，平均孔徑為76 μ m。
權利要求
1.一種近終成形多孔鎳基ODS合金的方法，其特徵在於 步驟一、按照多孔鎳鉻基ODS合金、鎳鋁基ODS合金、MA754、MA6000或PM1000的成分配比稱量鎳粉、鉻粉、招粉、鈦粉、鶴粉、鉭粉、鑰粉、鐵粉、碳粉、Y2O3顆粒和氧化物細化元素鉿粉，並將各種粉末預混合均勻，得到混合粉末； 混合粉末在高純Ar氣氛中於不同的工藝參數下進行高能球磨，其中球/料比為(10 20)/1，球磨機轉速為350 500轉/分，球磨時間為24 72小時，得到粒徑為25 150 μ m的鎳基ODS合金粉末；所述的鎳鉻基 ODS 合金的成分為(l(T20wt. %) Cr-(O. 3 3wt. %) Y2O3-(O. 5 3wt. %) Hf-餘量Ni ;鎳鋁基ODS合金的成分為(5 30wt.%)Al-(0. 3 3wt. %) Y2O3-餘量Ni ；MA754 的成分為20wt. %Cr-0. 3wt. %A1_0. 5wt. %T1-l%wt. %Fe_0. 05wt. %T1-(0. 3 3wt. %)-Y2O3-餘量 Ni ；MA6000 的成分為15wt. %Cr-2wt. %Mo-4wt. %ff-2%wt. %Ta_4. 5wt. %T1-2. 5wt. %T1-(0. 3 3wt. %) Y2O3-餘量 N1、PM1000 的成分為20wt. %Cr-0. 3wt. %Al-0.5wt. %T1-3wt. %Fe- (0. 3 3wt. %) Y2O3-餘量 Ni ； 步驟二、將不同參數下球磨後的寬粒徑分布的鎳基ODS合金粉末進行篩分，得到多種窄粒徑分布、粒徑差< 3 μ m的鎳基ODS合金粉末； 步驟三、對窄粒徑分布的鎳基ODS合金粉末進行等離子球化，得到粒徑均勻的球形鎳基ODS合金粉末，其中送粉速率為2(Tl00g · min—1，等離子輸出功率為5(T90KW，真空度為KT2Pa ； 步驟四、將球形鎳基ODS合金粉末和熱塑性聚合物聚乙烯、聚醯胺或聚苯乙烯的混合物放入捏合機中進行攪拌，其中聚合物在混合物中的質量分數比為(4 12) %，加熱溫度為14(Tl80°C，攪拌時間為4(T90min，得到聚合物均勻包覆的鎳基ODS合金粉末，並通過機械破碎將聚集的聚合物包覆鎳基ODS合金粉末進行分散，得到粒徑為3(Γ50 μ m的聚合物包覆鎳基ODS合金粉末； 步驟五、利用CAD軟體建立零件三維模型，並進行分層切片處理，得到離散化的二維層面信息；同時，SLS成形機的鋪粉系統將聚合物包覆鎳基ODS合金粉末平鋪在工作平臺上，粉床預熱溫度為6(Tl80°C ;根據切片信息，雷射束以1(T40W的功率、1. 5^2. 5m/s的掃描速度、O. Γ0. 25mm的掃描間距、O. Γθ. 3mm的切片厚度對粉末進行逐層掃描，得到複雜形狀鎳基ODS合金坯體； 步驟六、鎳基ODS合金坯體在氬氣氣氛中進行脫脂和二次燒結，工藝為f5°C /min的升溫速率升溫到40(T500°C，保溫2小時，然後以5 10°C /min的升溫速率升溫到70(T950°C，保溫I小時後隨爐冷卻，得到多孔鎳基ODS合金。
全文摘要
一種近終成形多孔鎳基ODS合金的方法，屬於多孔高溫合金製備技術領域。首先採用機械合金化工藝獲得氧化物彌散強化合金粉末，並對鎳基ODS合金粉末進行分級和等離子球化，得到粒徑均勻的球形鎳基ODS合金粉末。其次，鎳基ODS合金粉末與熱塑性聚合物在捏合機中進行加熱攪拌，得到聚合物包覆鎳基ODS合金粉末。接著，採用CAD軟體設計鎳基ODS合金零件的三維實體模型，然後將三維模型進行分層切片處理，使其離散化為一系列二維層面，用於快速成形過程控制。最後，根據切片信息對鎳基ODS合金粉末進行逐層掃描，得到多孔鎳基ODS合金坯體。本發明適合製備耐高溫、耐腐蝕和抗氧化條件下使用的複雜形狀多孔金屬，其高溫強度高、孔隙率和孔徑的可設計性強。
文檔編號C22C19/05GK103060591SQ20131000656
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月8日 優先權日2013年1月8日
發明者章林, 曲選輝, 秦明禮, 劉燁, 何新波 申請人:北京科技大學