一种K417G高温合金粉末及其制备方法和使用方法与流程

本发明属于激光3D打印用高性能金属粉末制备技术领域，具体涉及一种K417G高温合金粉末及其制备方法和其在激光3D打印中的使用方法。

背景技术：

激光3D打印是一种集材料制备与成形于一体的新型先进制造技术，它具有周期短、柔性高、无需专用工装、近净成型、材料种类与零件复杂程度几乎不受限制等优点。由于采用分层叠加技术，相较于传统“减材制造”方法节约了90％原材料，能有效降低生产成本，目前正成为修复或者制造贵重、复杂关键金属零部件的重要技术。

K417G高温合金具有高温强度高、抗氧化和热疲劳能力强、耐腐蚀等优良性能，是制造航空发动机叶片的主要材料之一。但是由于叶片的结构和形状非常复杂，制造精度要求高，合金中较多的Co、Ti等元素有加大脆性σ相析出的倾向，以上特点造成大约50％的叶片在传统铸造过程中会出现缩孔、缩松、裂纹等缺陷，导致铸造成品率非常低。在实际服役过程中，叶片损伤严重也导致大量的叶片失效报废。激光3D打印技术目前在装备、工艺等方面得到了较快发展，快速修复或者直接成型的In718、In625等镍基高温合金具有晶粒组织细小，综合力学性能优于铸件等优异性能。因此，研究激光3D打印技术快速修复和成型K417G高温合金势在必行。激光3D打印用K417G高温合金粉末的性能和打印技术是决定产品质量的关键因素。

目前国内在高性能激光3D打印用镍基高温合金粉末方面开展的研究较少，大多数粉末需依赖国外进口。我国迫切需要化学成分均匀、低含氧量、高球形度、低空心球率、粒径分布均匀、流动性好，无脆性σ相析出的K417G高温合金粉末。然而，气雾化制粉过程极其复杂，高性能合金粉末的制备是高温合金材料物化性能、流场动力学参数、熔炼参数、雾化参数等多种因素耦合作用综合优化设计的结果。本发明首先从真空感应熔炼气雾化制备K417G高温合金粉末的含氧量、粒径分布、球形度、空心球率、物相组成、化学成分均匀性、流动性、松装密度等方面入手，然后研究激光3D打印高温合金的组织结构和力学性能，使其满足国家标准要求，对于促进激光3D打印技术在我国发动机叶片、高铁制动盘等高端耐热零部件制造领域的广泛应用和快速发展具有重要的科学意义。

技术实现要素：

针对现有的真空坩埚感应熔炼气雾化制备镍基高温合金粉末及其相应的打印技术存在的问题，结合激光3D打印K417G高温合金粉末需要高球形度、低空心球率、低含氧量、化学成分均匀、无有害σ相析出、良好的松装密度和流动性等性能要求，以及激光3D快速成型后试样的组织结构、力学性能的研究，本发明提供一种K417G镍基高温合金粉末及制备方法和其在激光3D打印中的使用方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的一种激光3D打印用K417G镍基高温合金粉末，所述合金粉末按照质量百分含量由以下成分组成：C：0.14～0.15％、Cr：9.78～9.88％、Co：11.20～11.40、Mo：3.09～3.22％、Al：6.24～6.37％、Ti：4.68～4.79％、V：0.71～0.83％、Ni为余量；所述合金粉末为球形、含氧量为0.013％～0.015％、粒径分布为53～180μm、球形度大于98％、空心球率不超过3％、松装密度为4.76～4.78g/cm³、粉末流动性为16.1～16.6s/50g，所述合金粉末中无脆性σ相析出。

本发明的另一方面，提供一种激光3D打印用K417G镍基高温合金粉末的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，原材料预处理：

将K417G镍基高温合金母合金加工成圆柱形合金锭，合金锭中心加工出直径30～40mm的通孔，去除合金锭表面氧化物、杂质和油污；

步骤2，雾化流场参数调整：

将坩埚放置在熔炼室感应加热线圈内，导液管安装在坩埚底部圆孔处，导液管出口端伸出坩埚底部26～30mm，所述导液管出口端端口为锥形尖端，将合金锭置于坩埚中，打开雾化氩气控制总阀，总阀氩气压力为5～10MPa，控制试纸抽吸下陷深度保持在3～5mm的时间大于20s后关闭总阀；

步骤3，熔炼温度测量：

雾化流场参数调整完成后，将下端封闭的中空陶瓷杆放置在合金锭中心通孔中，使陶瓷杆的下端封堵坩埚底部导液管管口，将热电耦封装在陶瓷杆内，用于实时测量熔炼坩埚中合金锭的温度；

步骤4，抽真空后充入保护气：

将熔炼室、雾化室和粉末收集装置抽真空，待真空度达到3.5×10^-3Pa以下，充入氩气使设备内气压保持在0.01Mpa；

步骤5，真空感应熔炼：

开启中频感应加热电源，先使用20～30KW感应功率对钢锭进行预加热，待合金锭温度升高到1000℃后，增加感应功率到30～40KW，使坩埚内合金锭完全熔化并保持50～100℃过热度；

步骤6，再次抽真空、真空感应精炼与气雾化：

(1)待坩埚内熔融K417G镍基高温合金液达到50～100℃过热度后，将熔炼过程产生的废气抽离，待熔炼室气压达到20Pa以下后，充入氩气使熔炼室气压保持在0.01Mpa；

(2)增加感应功率到40～50KW，将熔融合金液过热度在100～150℃范围内保持5～10min；

(3)打开雾化气体总阀，总阀压力控制在8～12MPa，喷出的氩气汇集在导液管出口端，提升氧化铝陶瓷杆，使熔融的K417G镍基高温合金液经导液管出口端锥形尖端以3Kg/min～5Kg/min的质量流率流入雾化室，被氩气冷却和凝固后形成球形K417G镍基高温合金粉。

在上述技术方案中，在步骤1中，将K417G镍基高温合金母合金加工成和坩埚形状和体积相匹配的圆柱形合金锭，合金锭体积占坩埚体积的80～90％，用金相砂纸将合金锭表面氧化物和杂质去除，然后用无水乙醇分别清洗合金表面和通孔内部，去除油污。

在上述技术方案中，在步骤3中，将下端圆形封闭的中空氧化铝陶瓷杆和连续送料进给系统的机械臂刚性连接后放置在合金锭中心通孔中，使陶瓷杆的下端封堵坩埚底部导液管管口，所述热电耦为R型钨铼丝。

在上述技术方案中，在步骤6的步骤(3)中，采用二级旋风集粉器对制备的K417G镍基高温合金粉末进行收集，粉末冷却至室温后，采用拍击式振动筛将粉末按照粒径分布1～53μm和53～180μm进行分级筛分，放入真空手套箱中封装保存。

本发明的再一方面，提供一种上述的激光3D打印用K417G镍基高温合金粉末的使用方法，包括以下步骤：

步骤一，基板材料和粉末预处理

基板材料为Q235钢，将基板打磨、抛光、清洗后待用；

将激光打印用K417G镍基高温合金粉末在80～100℃下烘干3～5h，装入送粉器中待用；

步骤二，激光3D打印

采用激光3D打印机自带的编程软件设置打印体的形状及打印路径，在基板上，进行3D打印，制备出沉积态的K417G镍基高温合金；其中，激光3D打印的工艺参数为：激光功率400～700W，扫描速度3.24～6.48mm/s，送粉量4～7g/min，送粉气流量2.5～4L/min，搭接率20％～40％，Z轴提升量0.2～0.6mm，层间冷却时间0.5～3min，整个打印过程通入惰性气体保护高温熔池。

在上述的技术方案中，在步骤二中，所述的打印路径为单层平行往复扫描，双层仍为往复扫描，扫描方向垂直于上一层，所述惰性气体为氩气。

在上述的技术方案中，在步骤二中，所述的沉积态的K417G镍基高温合金的合金组织无裂纹、气孔缺陷，底部层与上层之间是“白状带”组织，中上部是沿沉积高度方向贯穿多层熔覆层生长的大片柱状晶组织。

在上述的技术方案中，在步骤二中，所述的沉积态的K417G镍基高温合金的抗拉强度为1014～1026Mpa，屈服强度为843～873Mpa，延伸率为13.6～14.2％，室温拉伸断口包含大量韧窝，呈韧性断裂。

本发明基于激光3D打印用高性能镍基高温合金粉末的实际要求，不断调整和优化真空坩埚感应熔炼气雾化的工艺参数和步骤，最后制备出含氧量低、球形度高、低空心球率、化学成分均匀、无脆性σ相析出、松装密度高、流动性好的K417G高温合金粉末。将制备的镍基高温合金粉末用于激光3D打印，通过优化合适的打印参数，使粉末经过充分的熔化-凝固、快速成型出具有良好力学性能的样品。本发明制备的K417G高温合金粉末完全能够满足激光3D打印要求并具有良好的成形性。

本发明的有益效果：

(1)本发明的方法制备得到的K417G镍基高温合金粉末化学成分均匀、无脆性有害σ相生成、含氧量低、球形度高、空心球率低、流动性好，松装密度高；粒径1～180μm粉末收得率在95％以上，生产成本较低。

(2)本发明制备的K417G镍基高温合金粉末具有良好的激光3D打印性能，激光成形试样力学性能超过铸造状态，在航空航天叶片的激光3D打印修复和制造领域具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的K417G高温合金的质量粒径分布图；

图2为本发明实施例1制备的K417G高温合金粉末SEM形貌和元素分布EDS面扫描照片；其中图2a表示合金粉末SEM形貌，图2b～2i分别为合金粉末中化学元素C、Al、Ti、Cr、V、Co、Ni、Mo的EDS图。

图3为本发明实施例1制备的K417G高温合金粉末空心球和金相照片；其中图3a和图3b分别为200μm以及15μm的比例尺下的SEM照片；

图4为本发明实施例1制备的K417G高温合金粉末XRD图谱；

图5为本发明实施例1制备的K417G高温合金粉末激光3D打印试样金相照片；

图6为本发明实施例1制备的K417G高温合金粉末激光3D打印试样SEM照片；

图7为本发明实施例1制备的K417G高温合金粉末激光3D打印试样室温拉伸应力-应变曲线图及断口形貌图；其中图7(a)为室温应力-应变曲线图，图7(b)为断口形貌图；

图8为本发明实施例2制备的K417G高温合金的质量粒径分布图；

图9为本发明实施例2制备的K417G高温合金粉末SEM形貌和元素分布EDS面扫描照片；其中图9a表示合金粉末SEM形貌，图9b～9i分别为合金粉末中化学元素C、Al、Ti、Cr、V、Co、Ni、Mo的EDS图。

图10为本发明实施例2制备的K417G高温合金粉末空心球和金相照片；其中图10a和图10b分别为200μm以及15μm的比例尺下的SEM照片；

图11为本发明实施例2制备的K417G高温合金粉末XRD图谱；

图12为本发明实施例2制备的K417G高温合金粉末激光3D打印试样金相照片；

图13为本发明实施例2制备的K417G高温合金粉末激光3D打印试样SEM照片；

图14为本发明实施例2制备的K417G高温合金粉末激光3D打印试样室温拉伸应力-应变曲线图及断口形貌图；其中图14(a)为室温应力-应变曲线图，图14(b)为断口形貌图；

图15为本发明实施例3制备的K417G高温合金的质量粒径分布图；

图16为本发明实施例3制备的K417G高温合金粉末SEM形貌和元素分布EDS面扫描照片；其中图16a表示合金粉末SEM形貌，图16b～16i分别为合金粉末中化学元素C、Al、Ti、Cr、V、Co、Ni、Mo的EDS图。

图17为本发明实施例3制备的K417G高温合金粉末空心球和金相照片；其中图17a和图17b分别为200μm以及15μm的比例尺下的SEM照片；

图18为本发明实施例3制备的K417G高温合金粉末XRD图谱；

图19为本发明实施例3制备的K417G高温合金粉末激光3D打印试样金相照片；

图20为本发明实施例3制备的K417G高温合金粉末激光3D打印试样SEM照片；

图21为本发明实施例3制备的K417G高温合金粉末激光3D打印试样室温拉伸应力-应变曲线图及断口形貌图；其中图21(a)为室温应力-应变曲线图，图21(b)为断口形貌图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不局限于这些实施方式。

以下实施例使用的原材料、3D打印机以及性能检测设备：

3D打印机为功率1KW的同轴送粉光纤激光3D打印机；

采用OLYMPUS-GX71型倒置式光学显微镜(OM)观察粉末空心球率和成型试样的金相组织；

采用Shimadzu-SSX-550扫描电子显微镜(SEM)观察粉末表面形貌、元素EDS分析、球形度以及成型试样的微观组织；

采用日本SmartLab-9000型X射线衍射仪(XRD)进行粉末物相分析；

采用INSTRON-5969电子万能材料试验机对打印成型试样进行拉伸性能测试；

采用AGILENT-7700电感耦合等离子质谱仪和TCH-600氮氧氢分析仪测定K417G镍基高温合金粉末的化学成分和氧含量；

采用HYL-102型霍尔流速计测量K417G镍基高温合金粉末的的送装密度比和流动性。

K417G镍基高温合金母合金：按质量百分含量其化学成分为，C：0.19％，Cr：9.90％，Co：11.56％，Mo：3.47％，Al：6.42％，Ti：4.84％，V：0.85％，O:0.010％，Ni为余量。采用真空感应超纯净熔炼技术(VIM)制备成圆柱形合金锭，采用常规工艺参数设定即可制备得到，合金锭的含氧量控制在0.010％，其它合金元素分布均匀，无明显偏析，可适用于本发明。

实施例1

激光3D打印用K417G镍基高温合金粉末的制备方法，采用真空感应熔炼技术制备所述粉末，包括以下步骤：

步骤1，原材料预处理：

将K417G镍基高温合金母合金加工成和熔炼坩埚形状和体积相匹配的圆柱形合金锭，合金锭体积占坩埚体积的80％，然后将合金锭中心加工出直径30mm的通孔，用1000号金相砂纸将合金锭表面氧化物和杂质去除，用无水乙醇清洗合金表面和通孔内部，将合金锭油污去除干净；

步骤2，雾化流场参数调整：

将熔炼坩埚放置在真空感应熔炼室感应加热线圈内，将内孔直径为3mm的氮化硼陶瓷导液管安装在坩埚底部的圆孔处，导液管通过环孔型雾化喷嘴中心固定，导液管的出口端伸出坩埚底部长度控制在26mm，其位置于雾化室，然后将合金锭置于熔炼坩埚中，用试纸封住金属锭通孔上口；打开雾化氩气控制总阀，总阀氩气压力为5MPa，控制试纸抽吸下陷深度保持在3mm的时间大于20s后关闭总阀；

所述导液管包括入口端和出口端，所述入口端对接固定于坩埚底部的圆孔处，坩埚内的熔融合金液通过该入口端流入导液管内，由出口端端口流出，流入雾化室。所述出口端端口形成圆锥形尖端，这样的结构使熔炼合金液形成液滴，在氩气流的作用下易于形成粉末。

在步骤2中，通过精确调整控制导液管出口端伸出长度，使出口端完全置于雾化流场负压区内，提高出口端抽吸压力，有利于雾化时熔融合金液迅速顺利流出。采用测量试纸抽吸下陷深度的方法可便捷直观的反映出导液管出口抽吸压力大小变化，提高了压力调节精度。

步骤3，熔炼温度测量：

雾化流场参数调整完成后，抽去试纸，将顶部为圆形的中空氧化铝陶瓷杆和连续送料进给系统的机械臂刚性连接后放置在合金锭中心通孔中，作为坩埚底部导液管上口的封堵器，然后将R型钨铼丝热电耦封装在中空氧化铝陶瓷杆内实时测量坩埚中合金锭的温度；

所述中空氧化铝陶瓷杆的下端为封闭圆形端，陶瓷杆固定在感应熔炼炉顶部处的机械臂上，调整陶瓷杆高度使陶瓷杆下端部堵住导液管管口(入口端)，关闭感应熔炼炉门；该步骤中陶瓷杆不仅能保护热电偶使其循环使用，而且能够保证合金锭加热到所需过热度，阻止合金锭熔化为液态后进入雾化室。

步骤4，抽真空后充入保护气：

打开控制电源，顺序打开机械泵、罗茨泵和扩散泵对熔炼室、雾化室和粉末收集装置抽真空，待真空度达到3.5×10^-3Pa以下，再顺序关闭扩散泵、罗茨泵和机械泵，迅速充入氩气使设备内气压保持在0.01Mpa；氩气作为保护气，纯度99.9％以上。

步骤5，真空感应熔炼：

开启中频感应加热电源，先使用20KW感应功率对合金锭进行预加热，待合金锭温度升高到1000℃后，增加功率到30KW，使坩埚内合金锭完全熔化并保持50℃过热度；

在步骤5中，首先通过低功率预加热的方法让镍基合金锭化学成分更加均一，同时也可以有效缓解熔炼坩埚的热应力，提高坩埚的抗裂能力。待升温到即将熔化时，采用大功率加热方法熔炼合金锭，可以起到减小合金中元素烧损的作用。

步骤6，再次抽真空、真空感应精炼与气雾化：

(1)待坩埚内熔融高温合金达到50℃过热度后，再次打开机械泵，将熔炼过程产生的废气抽离，待熔炼室气压达到20Pa以下后，迅速充入氩气使熔炼室气压保持在0.01Mpa；

(2)快速增加熔炼功率到40KW，将熔融合金液过热度在150℃保持5min进一步精炼；

(3)打开雾化气体总阀，总阀压力控制在8MPa，喷出的氩气经环孔型雾化喷嘴汇集在导液管下出口端锥形尖端，然后快速提升氧化铝陶瓷杆，使熔融的K417G镍基高温合金液经导液管出口端锥形尖端以3Kg/min的质量流率流入雾化室，高速低温的氩气将熔融合金液流冲击破碎，经过冷却和凝固形成球形粉末，落入粉末收集装置；

在步骤6(1)中，通过再次打开机械泵二次抽真空的方法将熔炼过程中产生的废气抽离，可以进一步降低雾化室中的含氧量和其它杂质气体含量；通过步骤6(2)短时高过热度保温精炼，进一步净化合金熔液的杂质，保证粉末化学成分符合要求。

步骤7，合金粉末收集、筛分与保存：

采用二级旋风集粉器对制备的镍基高温合金钢粉末进行收集，粉末冷却至室温后，采用拍击式振动筛将粉末按照粒径分布1～53μm和53～180μm进行分级筛分，然后将粉末放入真空手套箱中进行真空封装保存；

采用上述方法制备的激光3D打印用K417G镍基高温合金粉末，进行3D打印制备K417G镍基高温合金试样，试样的3D打印方法包括以下步骤：

步骤一，基板材料和粉末预处理

基板材料为Q235钢，将基板打磨、抛光、清洗后待用；

将粉末粒径53～180μm的K417G镍基高温合金粉末在80℃下烘干5h，装入送粉器中待用。

步骤二，激光3D打印

采用功率1KW同轴送粉光纤激光3D打印机自带的编程软件设置打印体的形状及打印路径，打印路径为单层平行往复扫描，双层仍为往复扫描，扫描方向垂直于上一层；在基板上，制备出沉积态的K417G镍基高温合金试样；其中，激光3D打印的工艺参数为：激光功率400W，扫描速度3.24mm/s，送粉量4g/min，送粉气流量2.5L/min，搭接率20％，Z轴提升量0.2mm，层间冷却时间0.5min，整个打印过程通氩气保护高温熔池。

对本实施例制备的K417G镍基高温合金粉末及激光3D打印试样，进行如下分析测试：

(1)化学成分、含氧量分析

采用电感耦合等离子质谱仪和氮、氧、氢气体分析仪，测定了本实施例制备的K417G镍基高温合金粉末化学成分和含氧量，主要化学元素成分按质量百分比如表1所示：

表1.K417G镍基高温合金粉末主要化学成分和含氧量

本实施例制备的K417G镍基高温合金粉末的化学成分和含氧量均符合激光3D打印专用K417G镍基高温合金粉末要求。

(2)粉末粒径分布

采用激光粒度分布仪对粉末粒径分布进行分析，由图1可以看出本实施例制得K417G镍基高温合金粉末，大部分粉末粒径集中分布在20～160μm之间，粉末中值粒径约为60μm。

(3)球形度、表面形貌和组织均匀性分析

本实施例制备的球形K417G镍基高温合金粉末SEM微观形貌如图2所示，粉末球形度超过98％、表面光洁度高、附着卫星颗粒少，球形粉末由细小的胞状晶粒组成，球形表面有大量树枝晶晶界(图2a)。EDS能谱面扫描表明粉末化学元素分布均匀，无明显成分偏析，图2b～图2i分别为化学元素C、Al、Ti、Cr、V、Co、Ni、Mo的EDS图。

(4)空心球率分析

本实施例制备的激光3D打印用球形K417G镍基高温合金粉末金相如图3所示，其中图3a和图3b分别为200μm以及15μm的比例尺下的SEM照片，可见，粉末空心球率低于2％，空心球主要以闭合的形式存在，也有少量破裂的球体。在高速氩气冲击下，有些大颗粒的液滴被冲击破碎过程中，有极小部分气体被束缚在液滴内部，形成空心粉末。

(5)粉末物相组成分析

对本实施例制备的激光3D打印用球形K417G镍基高温合金粉末进行X射线衍射分析，所得X射线衍射图谱如图4所示。可以看出，粉末的物相主要由γ相和γ′相组成，还存在一些合金化合物相和碳化物。其中基体γ相为Ni-Cr-Co-Mo固溶体，γ′相为Ni3(Al,Ti)化合物。合金化合物相主要为Al₄CrNi₁₅，碳化物相为Al_0.5CNi₃Ti_0.5。粉末中不存在脆性的σ相。

(6)流动性和松装密度测试

采用HYL-102型霍尔流速计，对本实施例制备的K417G镍基高温合金粉末测量粉末松装密度，所得结果如表2所示，粉末松装密度平均值为4.76g/cm³。

表2.K417G镍基高温合金粉末松装密度测量结果

本实施例采用的是同轴送粉式激光直接沉积3D打印，要求粉末具备良好流动性，才能保证激光3D打印过程中粉末连续输送。因此，采用HYL-102型霍尔流速计，对本实施例制备的粒度为53～180μm的K417G高温合金粉末测量粉末流动性，结果如表3所示，粉末流动性平均值为16.1s/50g。

表3.K417G镍基高温合金粉末流动性能测量结果

(7)激光3D打印试样金相组织

激光3D打印K417G镍基高温合金成形试样的金相组织如图5所示，可以看到层与层之间冶金结合良好，无明显裂纹和气孔等缺陷。底部为层状结构，层内为具有一定取向的大片柱状晶，在层与层之间形成“白状带”组织。到了中部，层状结构消失，取而代之的是整片的柱状晶组织，这些柱状晶呈现典型的外延生长形态。顶部是转向枝晶区，柱状晶消失，转变为等轴晶。通过激光3D打印制备的K417G镍基高温合金组织晶粒细小，排列均匀、致密。

(8)激光3D打印样品SEM微观组织

激光3D打印K417G镍基高温合金试样的SEM微观形貌如图6所示。从图中可以看出，灰黑色的γ基体上分布着点块状，短棒状的白色碳化物析出相，同时还有齿状的(γ+γ’)共晶组织。由于激光作为热源能量高且作用区域集中，使整个熔化凝固过程始终具有很高的温度梯度和冷却速度，高温合金化学成分偏析小，激光3D打印K417G镍基高温合金组织中没有脆性σ相生成。

(9)激光3D打印样品室温拉伸曲线和断口形貌

激光3D打印K417G高温合金样品室温拉伸曲线和断口形貌如图7所示，其中图7(a)为室温拉伸曲线，图7(b)为断口形貌。经激光快速成型后，K417G镍基高温合金的抗拉强度为1014MPa，屈服强度为843MPa，断后延伸率为14.2％。铸造态K417G合金的抗拉强度和屈服强度分别为975MPa和790MPa，激光3D打印的K417G高温合金力学性能明显优于铸造状态，微观断口形貌表明断口处包含大量的韧窝，判断其为韧性断裂。

实施例2

激光3D打印用K417G镍基高温合金粉末的制备方法，采用真空感应熔炼技术制备所述粉末，包括以下步骤：

步骤1，原材料预处理：

将K417G镍基高温合金母合金加工成和熔炼坩埚形状和体积相匹配的圆柱形合金锭，合金锭体积占坩埚体积的90％，然后将合金锭中心加工出直径40mm的通孔，用1000号金相砂纸将合金锭表面氧化物和杂质去除，用无水乙醇清洗合金表面和通孔内部，将合金锭油污去除干净；

步骤2，雾化流场参数调整：

将熔炼坩埚放置在真空感应熔炼室感应加热线圈内，将内孔直径为5mm的氮化硼陶瓷导液管安装在坩埚底部的圆孔处，导液管通过环孔型雾化喷嘴中心固定，导液管的出口端伸出坩埚底部长度控制在30mm，位于雾化室。然后将合金锭置于熔炼坩埚中，用试纸封住合金锭通孔上口；打开雾化氩气控制总阀，总阀氩气压力为10MPa，控制试纸抽吸下陷深度保持在5mm的时间大于20s后关闭总阀；

步骤3，熔炼温度测量：

雾化流场参数调整完成后，抽去试纸，将顶部为圆形的中空氧化铝陶瓷杆和连续送料进给系统的机械臂刚性连接后放置在合金锭中心通孔中，作为坩埚底部导液管上口的封堵器，然后将R型钨铼丝热电耦封装在中空氧化铝陶瓷杆内实时测量坩埚中合金锭的温度；

步骤4，抽真空后充入保护气：

打开控制电源，顺序打开机械泵、罗茨泵和扩散泵对熔炼室、雾化室和粉末收集装置抽真空，待真空度达到3.5×10^-3Pa以下，再顺序关闭扩散泵、罗茨泵和机械泵，迅速充入氩气使设备内气压保持在0.01Mpa；氩气作为保护气，纯度99.9％以上。

步骤5，真空感应熔炼：

开启中频感应加热电源，先使用30KW感应功率对合金锭进行预加热，待合金锭温度升高到1000℃后，增加功率到40KW，使坩埚内合金锭完全熔化并保持100℃过热度；

步骤6，再次抽真空、真空感应精炼与气雾化：

(1)待坩埚内熔融高温合金达到100℃过热度后，再次打开机械泵，将熔炼过程产生的废气抽离，待熔炼室气压达到20Pa以下后，迅速充入氩气使熔炼室气压保持在0.01Mpa；

(2)快速增加熔炼功率到50KW，将熔融合金液过热度在100℃保持10min进一步精炼；

(3)打开雾化气体总阀，总阀压力控制在12MPa，喷出的氩气经环孔型雾化喷嘴汇集在导液管下出口端锥形尖端，然后快速提升氧化铝陶瓷杆，使熔融的K417G镍基高温合金液经导液管出口端锥形尖端以3Kg/min的质量流率流入雾化室，高速低温的氩气将熔融合金液流冲击破碎，经过冷却和凝固形成球形粉末，落入粉末收集装置；

采用二级旋风集粉器对制备的镍基高温合金钢粉末进行收集，粉末冷却至室温后，采用拍击式振动筛将粉末按照粒径分布1～53μm和53～180μm进行分级筛分，然后将粉末放入真空手套箱中进行真空封装保存；

采用上述方法制备的激光3D打印用K417G镍基高温合金粉末，进行3D打印制备K417G镍基高温合金试样，试样的3D打印方法包括以下步骤：

步骤一，基板材料和粉末预处理

基板材料为Q235钢，将基板打磨、抛光、清洗后待用；

将粉末粒径53～180μm的K417G镍基高温合金粉末在100℃下烘干3h，装入送粉器中待用。

步骤二，激光3D打印

采用功率1KW同轴送粉光纤激光3D打印机自带的编程软件设置打印体的形状及打印路径，打印路径为单层平行往复扫描，双层仍为往复扫描，扫描方向垂直于上一层；在基板上，制备出沉积态的K417G镍基高温合金试样；其中，激光3D打印的工艺参数为：激光功率700W，扫描速度6.48mm/s，送粉量7g/min，送粉气流量4L/min，搭接率40％，Z轴提升量0.6mm，层间冷却时间1.5min，整个打印过程通氩气保护高温熔池。

对本实施例制备的K417G镍基高温合金粉末及激光3D打印试样，进行如下分析测试：

(1)化学成分、含氧量分析

采用电感耦合等离子质谱仪和氮、氧、氢气体分析仪，测定了本实施例制备的K417G镍基高温合金粉末化学成分和含氧量，主要化学元素成分按质量百分比如表4所示：

表4.K417G镍基高温合金粉末主要化学成分和含氧量

本实施例制备的K417G镍基高温合金粉末的化学成分和含氧量均符合激光3D打印专用K417G镍基高温合金粉末要求。

(2)粉末粒径分布

采用激光粒度分布仪对粉末粒径分布进行分析，由图8可以看出本实施例制得K417G镍基高温合金粉末，大部分粉末粒径集中分布在20～120μm之间，粉末中值粒径约为45μm。

(3)球形度、表面形貌和组织均匀性分析

本实施例制备的球形K417G镍基高温合金粉末SEM微观形貌如图9所示，粉末球形度超过98％、表面光洁度高、附着卫星颗粒少，球形粉末由细小的胞状晶粒组成，球形表面有大量树枝晶晶界(图9a)。EDS能谱面扫描表明粉末化学元素分布均匀，无明显成分偏析，图9b～图9i分别为化学元素C、Al、Ti、Cr、V、Co、Ni、Mo的EDS图。

(4)空心球率分析

本实施例制备的激光3D打印用球形K417G镍基高温合金粉末金相如图10所示，其中图10a和图10b分别为200μm以及15μm的比例尺下的SEM照片，可见，粉末空心球率低于3％，空心球主要以闭合的形式存在，也有少量破裂的球体。在高速氩气冲击下，有些大颗粒的液滴被冲击破碎过程中，有极小部分气体被束缚在液滴内部，形成空心粉末。由于本实施例增大了雾化气体总压，所以粉末空心球数量较低气压时略有增加。

(5)粉末物相组成分析

对本实施例制备的激光3D打印用球形K417G镍基高温合金粉末进行X射线衍射分析，所得X射线衍射图谱如图11所示。可以看出，粉末的物相主要由γ相和γ′相组成，还存在一些合金化合物相和碳化物。其中基体γ相为Ni-Cr-Co-Mo固溶体，γ′相为Ni3(Al,Ti)化合物。合金化合物相主要为Al₄CrNi₁₅，碳化物相为Al_0.5CNi₃Ti_0.5。粉末中不存在由于元素偏析形成的脆性σ相。

(6)流动性和松装密度测试

采用HYL-102型霍尔流速计，对本实施例制备的K417G镍基高温合金粉末测量粉末松装密度，所得结果如表5所示，粉末松装密度平均值为4.76g/cm³。

表5.K417G镍基高温合金粉末松装密度测量结果

本实施例采用的是同轴送粉式激光直接沉积3D打印，要求粉末具备良好流动性，才能保证激光3D打印过程中粉末连续输送。因此，采用HYL-102型霍尔流速计，对本实施例制备的粒度为53～180μm的K417G高温合金粉末测量粉末流动性，结果如表6所示，粉末流动性平均值为16.6s/50g。

表6.K417G镍基高温合金粉末流动性能测量结果

(7)激光3D打印样品金相组织

激光3D打印K417G镍基高温合金试样的金相组织如图12所示，可以看到层与层之间冶金结合良好，无明显裂纹和气孔等缺陷。底部为层状结构，层内为具有一定取向的大片柱状晶，在层与层之间形成“白状带”组织。到了中部，层状结构消失，取而代之的是整片的柱状晶组织，这些柱状晶呈现典型的外延生长形态。顶部是转向枝晶区，柱状晶消失，转变为等轴晶。通过激光3D打印制备的K417G镍基高温合金组织晶粒细小，排列均匀、致密。

(8)激光3D打印样品SEM微观组织

激光3D打印K417G镍基高温合金试样的SEM微观形貌如图13所示。从图中可以看出，灰黑色的γ基体上分布着点块状，短棒状的白色碳化物析出相，同时还有齿状的(γ+γ’)共晶组织。由于激光作为热源能量高且作用区域集中，使整个熔化凝固过程始终具有很高的温度梯度和冷却速度，高温合金成分偏析小，激光3D打印K417G镍基高温合金组织中没有脆性σ相生成。

(9)激光3D打印样品室温拉伸曲线和断口形貌

激光3D打印K417G镍基高温合金样品室温拉伸曲线和断口形貌如图14所示，其中图14(a)为室温拉伸曲线，图14(b)为断口形貌。经激光快速成形后，K417G镍基高温合金的抗拉强度为1026MPa，屈服强度为873MPa，断后延伸率为13.6％。铸造态K417G合金的屈服强度和抗拉强度分别为790MPa和975MPa，激光3D打印的K417G高温合金力学性能明显优于铸造状态，微观断口形貌表明断口处包含大量的韧窝，判断其为韧性断裂。

实施例3

激光3D打印用K417G镍基高温合金粉末的制备方法，采用真空感应熔炼技术制备所述粉末，包括以下步骤：

步骤1，原材料预处理：

将K417G镍基高温合金母合金加工成和熔炼坩埚形状和体积相匹配的圆柱形合金锭，合金锭体积占坩埚体积的85％。然后将合金锭中心加工出直径35mm的通孔，用1000号金相砂纸将合金锭表面氧化物和杂质去除，用无水乙醇清洗合金表面和通孔内部，将合金锭油污去除干净；

步骤2，雾化流场参数调整：

将熔炼坩埚放置在真空感应熔炼室感应加热线圈内，将内孔直径为4mm的氮化硼陶瓷导液管安装在坩埚底部的圆孔处，导液管通过环孔型雾化喷嘴中心固定，导液管的出口端伸出坩埚底部长度控制在28mm，位置于雾化室，然后将合金锭置于熔炼坩埚中，用试纸封住金属锭通孔上口；打开雾化氩气控制总阀，总阀氩气压力为8MPa，控制试纸抽吸下陷深度保持在4mm的时间大于20s后关闭总阀；

步骤3，熔炼温度测量：

雾化流场参数调整完成后，抽去试纸，将顶部为圆形的中空氧化铝陶瓷杆和连续送料进给系统的的机械臂刚性连接后放置在合金锭中心通孔中，作为坩埚底部导液管上口的封堵器，然后将R型钨铼丝热电耦封装在中空氧化铝陶瓷杆内实时测量坩埚中合金锭的温度；

步骤4，抽真空后充入保护气：

打开控制电源，顺序打开机械泵、罗茨泵和扩散泵对熔炼室、雾化室和粉末收集装置抽真空，待真空度达到3.5×10^-3Pa以下，再顺序关闭扩散泵、罗茨泵和机械泵，迅速充入氩气使设备内气压保持在0.01Mpa；氩气作为保护气，纯度99.9％以上。

步骤5，真空感应熔炼：

开启中频感应加热电源，先使用25KW感应功率对合金锭进行预加热，待合金锭温度升高到1000℃后，增加功率到35KW，使坩埚内合金锭完全熔化并保持75℃过热度；

步骤6，再次抽真空、真空感应精炼与气雾化：

(1)待坩埚内熔融高温合金达到75℃过热度后，再次打开机械泵，将熔炼过程产生的废气抽离，待熔炼室气压达到20Pa以下后，迅速充入氩气使熔炼室气压保持在0.01Mpa；

(2)快速增加熔炼功率到45KW，将熔融合金液过热度在130℃保持7min进一步精炼；

(3)打开雾化气体总阀，总阀压力控制在10MPa，喷出的氩气经环孔型雾化喷嘴汇集在导液管下出口端锥形尖端，然后快速提升氧化铝陶瓷杆，使熔融的K417G镍基高温合金液经导液管出口端锥形尖端以4Kg/min的质量流率流入雾化室，高速低温的氩气将熔融合金液流冲击破碎，经过冷却和凝固形成球形粉末，落入粉末收集装置；

步骤7，合金粉末收集、筛分与保存：

采用二级旋风集粉器对制备的镍基高温合金钢粉末进行收集，粉末冷却至室温后，采用拍击式振动筛将粉末按照粒径分布1～53μm和53～180μm进行分级筛分，然后将粉末放入真空手套箱中进行真空封装保存；

采用上述方法制备的激光3D打印用K417G镍基高温合金粉末，进行3D打印制备K417G镍基高温合金试样，试样的3D打印方法包括以下步骤：

步骤一，基板材料和粉末预处理

基板材料为Q235钢，将基板打磨、抛光、清洗后待用；

将粉末粒径53～180μm的K417G镍基高温合金粉末在90℃下烘干4h，装入送粉器中待用。

步骤二，激光3D打印

采用功率1KW同轴送粉光纤激光3D打印机自带的编程软件设置打印体的形状及打印路径，打印路径为单层平行往复扫描，双层仍为往复扫描，扫描方向垂直于上一层；在基板上，制备出沉积态的K417G镍基高温合金试样；其中，激光3D打印的工艺参数为：激光功率550W，扫描速度4.86mm/s，送粉量5.5g/min，送粉气流量3.5L/min，搭接率30％，Z轴提升量0.4mm，层间冷却时间1min，整个打印过程通氩气保护高温熔池。

对本实施例制备的K417G镍基高温合金粉末及激光3D打印试样，进行如下分析测试：

(1)化学成分、含氧量分析

采用电感耦合等离子质谱仪和氮、氧、氢气体分析仪，测定了本实施例制备的K417G镍基高温合金粉末化学成分和含氧量，化学成分按质量百分比如表7所示：

表7.K417G镍基高温合金粉末化学成分和含氧量

本实施例制备的K417G镍基高温合金化学成分和含氧量均符合激光3D打印专用K417G高温合金粉末要求。

(2)粉末粒径分布

采用激光粒度分布仪对粉末粒径分布进行分析，由图15可以看出本实施例制得K417G镍基高温合金粉末，大部分粉末粒径集中分布在20～140μm之间，粉末中值粒径约为50μm。

(3)球形度、表面形貌和组织均匀性分析

本实施例制备的球形K417G镍基高温合金粉末SEM微观形貌如图16所示，粉末球形度超过98％、表面光洁度高、附着卫星颗粒少，球形粉末由细小的胞状晶粒组成，球形表面有大量树枝晶晶界(图16a)。EDS能谱面扫描表明粉末化学元素分布均匀，无明显成分偏析，图16b～图16i分别为化学元素C、Al、Ti、Cr、V、Co、Ni、Mo的EDS图。

(4)空心球率分析

本实施例制备的激光3D打印用球形K417G镍基高温合金粉末金相如图17所示，空心球率低于3％，其中图17a和图17b分别为200μm以及15μm的比例尺下的SEM照片，可见，粉末空心球主要以闭合的形式存在，也有少量破裂的球体。在高速氩气冲击下，有些大颗粒的液滴被冲击破碎过程中，有极小部分气体被束缚在液滴内部，形成空心粉末。

(5)粉末物相组成分析

对本实施例制备的激光3D打印用球形K417G镍基高温合金粉末进行X射线衍射分析，所得X射线衍射图谱如图18所示。可以看出，粉末的物相主要由γ相和γ′相组成，还存在一些合金化合物相和碳化物。其中基体γ相为Ni-Cr-Co-Mo固溶体，γ′相为Ni3(Al,Ti)化合物。合金化合物相主要为Al₄CrNi₁₅，碳化物相为Al_0.5CNi₃Ti_0.5。粉末中不存在脆性的σ相。

(6)流动性和松装密度测试

采用HYL-102型霍尔流速计，对本实施例制备的K417G镍基高温合金粉末测量粉末松装密度，所得结果如表8所示，粉末松装密度平均值为4.76g/cm³。

表8.K417G镍基高温合金粉末松装密度测量结果

本实施例采用的是同轴送粉式激光直接沉积3D打印，要求粉末具备良好流动性，才能保证激光3D打印过程中粉末连续输送。因此，采用HYL-102型霍尔流速计，对本实施例制备的粒度为53～180μm的K417G镍基高温合金粉末测量粉末流动性，结果如表9所示，粉末流动性平均值为16.3s/50g。

表9.K417G镍基高温合金粉末流动性能测量结果

(7)激光3D打印样品金相组织

激光3D打印K417G镍基高温合金成形试样的金相组织如图19所示，可以看到层与层之间冶金结合良好，无明显裂纹和气孔等缺陷。底部为层状结构，层内为具有一定取向的大片柱状晶，在层与层之间形成“白状带”组织。到了中部，层状结构消失，取而代之的是整片的柱状晶组织，这些柱状晶呈现典型的外延生长形态。顶部是转向枝晶区，柱状晶消失，转变为等轴晶。通过激光3D打印制备的K417G高温合金组织晶粒细小，排列均匀、致密。

(8)激光3D打印样品SEM微观组织

激光3D打印K417G镍基高温合金试样的SEM微观形貌如图20所示。从图中可以看出，灰黑色的γ基体上分布着点块状，短棒状的白色碳化物析出相，同时还有细小齿状(γ+γ’)共晶组织。由于激光作为热源能量高且作用区域集中，使整个熔化凝固过程始终具有很高的温度梯度和冷却速度，高温合金成分偏析小，激光3D打印K417G高温合金组织中没有脆性σ相生成。

(9)激光3D打印样品室温拉伸曲线和断口形貌

激光3D打印K417G高温合金样品室温拉伸曲线和断口形貌如图21所示，其中图21(a)为室温拉伸曲线，图21(b)为断口形貌。经激光快速成形后，K417G高温合金的抗拉强度为1021MPa，屈服强度为867MPa，断后延伸率为13.8％，铸造态K417G镍基合金的抗拉强度和屈服强度分别为975MPa和790MPa，激光3D打印的K417G镍基高温合金力学性能明显优于铸造状态，微观断口形貌表明断口处包含大量的韧窝，判断其为韧性断裂。