一种通过调控Al、C含量提升激光选区熔化In718合金强度的方法

技术领域

本发明涉及激光选区熔化高温合金的制备工艺领域，具体为一种通过调控Al、C含量提升激光选区熔化In718合金强度的方法。

背景技术

In718合金是一种析出强化镍基高温合金，具有优异的高温力学性能、耐腐蚀性、疲劳性能等，已成为航空发动机制造中最常用的高温合金。近年来，随着航天发动机零部件的快速发展，对合金的性能提出了更高的要求。

激光选区融化作为近些年来制备金属材料的成型工艺，相较于传统的锻造铸造工艺，它具有加工周期短、设计自由度高和材料利用率高等优点，同时有效避免了合金元素的宏观偏析。但由于In718合金组成复杂，在激光作用下的快速凝固过程中易发生微观偏析，形成对合金力学性能有害的Laves相，对后续强化相的析出产生重要影响。In718合金作为最常用的高温合金材料，考虑到如何解决上述问题进而提升其力学性能有重大意义。目前已有大量学者针对上述问题采用优化合金成分或调整工艺参数的方法来进行改善，而本研究采用在In718合金粉末中混入Al粉和C粉调控合金成分以达到改善组织，从而提升合金的力学性能。

目前，有关In718合金此方面的研究仍然是业内研究热点和难题，在低成本下保证提升强度的同时减少塑性的折损对In718合金后续工业生产应用具有重要意义。

发明内容

为了解决以上的技术问题，本发明设计开发了一种通过向In718合金粉末中混入Al粉和C粉调控成分含量改善组织从而提升强度的方法。

本发明提供的技术方案为：

一种通过调控Al、C含量提升激光选区熔化In718合金强度的方法，包括:

步骤一:在In718合金粉末中混入Al粉和C粉，得到Al-C/In718合金粉末；

步骤二:对制备完成的Al-C/In718合金粉末进行打印成型；

步骤三:对打印成型的Al-C/In718合金进行轧制、退火和双重时效热处理；

步骤一所述In718合金粉末的化学成分及其质量百分比为Ni:52.24％；

Nb:5.14％；Mo:3.14％；Cr:19.08％；Al:0.42％；Ti:0.88％；Co:0.048；Si:0.066；Cu:0.085；C:0.043；余量为Fe；

步骤一所述Al-C/In718合金粉末的化学成分及其质量百分比为Ni:50.18％；Nb:4.94％；Mo:3.02％；Cr:19.01％；Al:4.00％；Ti:0.84％；Co:0.046；Si:0.063；Cu:0.082；C:0.387；余量为Fe；

作为本发明的进一步改进，上述步骤一所添加的Al粉和C粉的粒径分别为100nm和20nm。

优选的是，将称量好的In718合金粉末与Al粉、C粉采用球磨机混合，所述球磨机球料质量比为5:1，所述球磨机的转速为60r/min，球磨时间为8h。

优选的是，在所述步骤2中，所选的打印激光功率为250W，扫描速度为900mm/s，扫描间距为80μm，层厚为30μm。

优选的是，在所述步骤2中，在打印开始之前，需要将激光选区熔化设备抽至真空状态，打开保护气阀充入惰性气体(氩气)，待打印室内气体压力达到8500时，再次重复上述操作两次，此时氧含量降到一定值(400ppm左右)。

作为本发明的进一步改进，上述轧制、退火和双重时效热处理包括以下三个步骤依次为:

(1)将试样进行冷轧，压下量分别为35％和70％；

(2)将上一步试样加热到1050℃进行退火，时间为1h，水冷到室温；

(3)将上一步试样加热到720℃保温6h后以55℃/h的炉冷速度冷却到620℃保温6h后空冷到室温。

本发明具有以下优点：

(1)本发明所述的广泛用于航空航天发动机、燃气轮机和石油天然气开采等领域的Al-C/In718合金，其添加的Al粉和C粉有效改善了合金的显微组织，明显提升了合金在室温拉伸下的抗拉强度。

(2)Al-C/In718合金相较于In718合金其室温抗拉强度提高9.4％，塑性轻度折损。

(3)经过轧制35％和70％、退火和双重时效热处理的Al-C/In718合金相较于In718合金室温抗拉强度提高43.5％和60.0％，塑性保留完好。

附图说明

图1为本发明所述对比例制备的In718合金的扫描组织图。

图2为本发明所述实施例1中制备的Al-C/In718合金的扫描组织图。

图3为本发明所述实施例4中制备的Al-C/In718合金轧制35％、退火和双重时效热处理的扫描组织图。

图4为本发明所述实施例4中制备的Al-C/In718合金轧制70％、退火和双重时效热处理的扫描组织图。

具体实施方式

下面结合附图及本发明中的实施例做进一步的详细说明，显然，所描述的实施例并不是全部实施例，仅仅是本发明其中一部分实施例。基于本发明中的实施例，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

对比例

该对比例提供了一种激光选区熔化成型In718合金，其制备方法包括以下步骤：

S1、将In718合金棒材(化学成分及其质量百分比为Ni:52.24％；Nb:5.14％；Mo:3.14％；Cr:19.08％；Al:0.42％；Ti:0.88％；Co:0.048；Si:0.066；Cu:0.085；C:0.043；余量为Fe)采用气雾化法制得15-53μm的合金粉末，流动性为17.3s/50g，松装密度为4.36g/cm

S2、将制备好的In718合金粉末送入激光粉末床加工平台上，选择不锈钢基材作为基板，在打印开始之前，需要将激光选区熔化设备抽至真空状态，打开保护气阀充入惰性气体(氩气)，待打印室内气体压力达到8500时，再次重复上述操作两次，此时氧含量降到一定值(400ppm左右)。

S3、所选的打印激光功率为230W，扫描速度为900mm/s，扫描间距为80μm，层厚为30μm，得到激光选区熔化成型In718合金。

对激光选区熔化成型In718合金进行力学性能测试，室温下抗拉强度为996.2MPa，延伸率达到25.6％，其显微组织如图1所示。

实施例1

该实施例提供了一种激光选区熔化成型In718合金，其制备方法包括以下步骤：

S1、将In718合金棒材(化学成分及其质量百分比为Ni:52.24％；Nb:5.14％；Mo:3.14％；Cr:19.08％；Al:0.42％；Ti:0.88％；Co:0.048；Si:0.066；Cu:0.085；C:0.043；余量为Fe)采用气雾化法制得15-53μm的合金粉末，流动性为17.3s/50g，松装密度为4.36g/cm

S2、在In718合金粉末中混入Al粉和C粉，得到Al-C/In718合金粉末，Al-C/In718合金粉末的化学成分及其质量百分比为Ni:50.18％；Nb:4.94％；Mo:3.02％；Cr:19.01％；Al:4.00％；Ti:0.84％；Co:0.046；Si:0.063；Cu:0.082；C:0.387；余量为Fe；

S3、将制备好的Al-C/In718合金粉末送入激光粉末床加工平台上，选择不锈钢基材作为基板，在打印开始之前，需要将激光选区熔化设备抽至真空状态，打开保护气阀充入惰性气体(氩气)，待打印室内气体压力达到8500时，再次重复上述操作两次，此时氧含量降到一定值(400ppm左右)。

S4、所选的打印激光功率为250W，扫描速度为900mm/s，扫描间距为80μm，层厚为30μm，得到激光选区熔化成型Al-C/In718合金。

对激光选区熔化成型Al-C/In718合金进行力学性能测试，室温下抗拉强度为1107.2MPa，延伸率达到16.3％，其显微组织如图2所示。相较于In718合金，其抗拉强度提升11.1％。

实施例2

该实施例提供了一种激光选区熔化成型In718合金，其制备方法包括以下步骤：

S1、将In718合金棒材(化学成分及其质量百分比为Ni:52.24％；Nb:5.14％；Mo:3.14％；Cr:19.08％；Al:0.42％；Ti:0.88％；Co:0.048；Si:0.066；Cu:0.085；C:0.043；余量为Fe)采用气雾化法制得15-53μm的合金粉末，流动性为17.3s/50g，松装密度为4.36g/cm

S2、在In718合金粉末中混入Al粉和C粉，得到Al-C/In718合金粉末，Al-C/In718合金粉末的化学成分及其质量百分比为Ni:50.18％；Nb:4.94％；Mo:3.02％；Cr:19.01％；Al:4.00％；Ti:0.84％；Co:0.046；Si:0.063；Cu:0.082；C:0.387；余量为Fe；

S3、将制备好的Al-C/In718合金粉末送入激光粉末床加工平台上，选择不锈钢基材作为基板，在打印开始之前，需要将激光选区熔化设备抽至真空状态，打开保护气阀充入惰性气体(氩气)，待打印室内气体压力达到8500时，再次重复上述操作两次，此时氧含量降到一定值(400ppm左右)。

S4、所选的打印激光功率为250W，扫描速度为900mm/s，扫描间距为80μm，层厚为30μm，得到激光选区熔化成型Al-C/In718合金。

S5、将激光选区熔化成型Al-C/In718合金进行冷轧及热处理，具体如下。

(1)将试样进行冷轧，压下量为35％。

(2)将上一步试样加热到1050℃进行退火，时间为1h，水冷到室温。

(3)将上一步试样加热到720℃保温6h后以55℃/h的炉冷速度冷却到620℃保温6h后空冷到室温。

对冷轧及热处理后的激光选区熔化成型Al-C/In718合金进行力学性能测试，其室温下抗拉强度为1429.9MPa，延伸率达到8.9％，其显微组织如图3所示。相较于In718合金，其抗拉强度提升43.5％。

实施例3

该实施例提供了一种激光选区熔化成型In718合金，其制备方法包括以下步骤：

S1、将In718合金棒材(化学成分及其质量百分比为Ni:52.24％；Nb:5.14％；Mo:3.14％；Cr:19.08％；Al:0.42％；Ti:0.88％；Co:0.048；Si:0.066；Cu:0.085；C:0.043；余量为Fe)采用气雾化法制得15-53μm的合金粉末，流动性为17.3s/50g，松装密度为4.36g/cm

S2、在In718合金粉末中混入Al粉和C粉，得到Al-C/In718合金粉末，Al-C/In718合金粉末的化学成分及其质量百分比为Ni:50.18％；Nb:4.94％；Mo:3.02％；Cr:19.01％；Al:4.00％；Ti:0.84％；Co:0.046；Si:0.063；Cu:0.082；C:0.387；余量为Fe；

S3、将制备好的Al-C/In718合金粉末送入激光粉末床加工平台上，选择不锈钢基材作为基板，在打印开始之前，需要将激光选区熔化设备抽至真空状态，打开保护气阀充入惰性气体(氩气)，待打印室内气体压力达到8500时，再次重复上述操作两次，此时氧含量降到一定值(400ppm左右)。

S4、所选的打印激光功率为250W，扫描速度为900mm/s，扫描间距为80μm，层厚为30μm，得到激光选区熔化成型Al-C/In718合金。

S5、将激光选区熔化成型Al-C/In718合金进行冷轧及热处理，具体如下。

(1)将试样进行冷轧，压下量为70％。

(2)将上一步试样加热到1050℃进行退火，时间为1h，水冷到室温。

(3)将上一步试样加热到720℃保温6h后以55℃/h的炉冷速度冷却到620℃保温6h后空冷到室温。

对冷轧及热处理后的激光选区熔化成型Al-C/In718合金进行力学性能测试，其室温下抗拉强度为1594.2MPa，延伸率达到8.87％，其显微组织如图4所示。相较于In718合金，其抗拉强度提升60.0％。

表1显示了对比例与实施例1-3的力学性能数据

表1：对比例与实施例1-3的力学性能数据

本发明设计开发了一种用于航空航天发动机、燃气轮机和石油天然气开采等领域调控Al、C含量提升激光选区熔化IN718合金强度的方法，旨在原有IN718合金粉末中混入Al粉和C粉，改善微观组织同时提升合金的强度。从表1可以看出，本发明实施例通过混入Al粉和C粉可以显著提高In718合金的抗拉强度。具体的，Al-C/In718合金与原始In718合金相比，抗拉强度提高11.1％，经过轧制、退火和时效热处理的Al-C/In718合金与打印态Al-C/In718合金相比提高29.1％和44.0％，与原始In718合金相比提高43.5％和60％。

此技术与现有的传统技术相比，本发明具有低成本并且可以在基本不改变合金成分的基础上改善合金的组织，进而提升合金的性能的优点。

尽管本发明的实施方案已公开如上，也仅是本发明的较佳实施例而已，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。