一种激光粉末床熔融技术制备高性能镍基高温合金/陶瓷复合材料的方法

本发明涉及激光增材制造，具体涉及一种激光粉末床熔融技术制备高性能镍基高温合金/陶瓷复合材料的方法。

背景技术：

1、随着航空发动机技术的迅速发展，如何提高发动机的推重比、提升结构可靠性和耐久性、降低燃油消耗率已经成为提升发动机性能的关键技术。镍基高温合金具有良好的抗氧化和抗热腐蚀性能、优异的抗疲劳性能、高的组织稳定性和安全可靠性等，被广泛应用于航空航天、核工业、能源动力、石油化工等领域的关键热端部件，是现代国防和国民经济建设不可替代的关键材料。in718是一种沉淀强化类型的镍基高温合金，在650℃以下的屈服强度居于变形高温合金的首位，具有良好的抗疲劳性能，耐辐射性能，高温稳定性，广泛应用于风扇、机匣、涡轮盘、紧固件和连接轴承等。目前in718高温合金已成为航空工业领域产量最大、应用最广的高温合金，占高温合金总量的35％以上。sic陶瓷因其较高的抗拉强度、较稳定的高温性能，且使用温度可达1200℃，已经成为金属及陶瓷等的颗粒增强材料。将陶瓷颗粒的加入到镍基高温合金中，不仅提高了复合材料的使用温度(600～1000℃)，同时也提升复合材料的服役性能，已经成为近年来关注的一个研究方向。

2、基于铺粉方式的激光粉末床熔融(laserpowderbed melting)技术利用高能激光束对薄层粉末进行逐层扫描熔化，具有成形精度高，加工周期短且无需后续加工等优点，突破了传统制造成形技术和结构设计的束缚和限制，为实现复杂结构零部件的开发提供了新的研究思路，能够满足航空航天等领域成形技术快速发展的需求。然而，激光快速成形过程中产生快的冷却速率和高的温度梯度，凝固组织相比于传统铸造晶粒明显细化，导致力学性能呈现各向异性，影响服役过程中的使用寿命。表1中列举了不同的镍基高温合金/陶瓷复合材料分类、制备方法和成本的对比总结。

3、表1不同的镍基高温合金/陶瓷复合材料分类、制备方法和成本的对比

4、

5、中国专利cn112522564a涉及到一种tib2颗粒增强镍基高温合金的制备方法，首先将镍基高温合金(in718)在高温且真空环境下进行熔融，将tib2加入到熔融合金中，进行保温和浇筑。枝晶间距明显减小，细化了晶粒，复合材料强度提升。但是该方案操作过程复杂，枝晶间还存在微观偏析，另外无法判断tib2是否均匀加入到熔融合金中。

6、中国专利cn116604031a涉及到一种提高激光增材制造in718合金硬度的方法，通过粉末球磨的方法将al元素加入到in718高温合金粉末中，使合金的硬度提升，但过多的al促进了nb元素的偏析，导致组织中析出大量连续链状和网状分布的脆性laves，且未涉及组织均匀化和强度。

7、文献“d gu,h zhang,d dai,et al.laser additive manufacturing ofnano-ticreinforced ni-based nanocomposites with tailored microstructure andperformance.composites part b engineering,2019,163:585-597.”利用激光粉末床熔融制备in718/tic复合材料，但成形的试样中存在较多细小的气孔，气孔的存在导致其致密度降低，降低了成型质量，阻碍了力学性能的提升。

8、文献“i ho,t hsu,y chang,et.al.effects of coal2o4 inoculants onmicrostructure and mechanical properties of in718 processed by selectivelaser melting.additive manufacturing,2020,35:101328.”通过球磨法在in718高温合金原始粉末中加入0.2wt％coal2o4粉末，利用激光粉末床熔融进行复合粉末的成形，改善了沉积态的残余应力，提升了力学性能，但引入了合金元素之外的金属元素，后续无法去除。

9、为了优化激光粉末床熔融成形复合材料的质量，减少成形缺陷，进一步提升力学性能，在高温合金中加入陶瓷颗粒，陶瓷颗粒的尺寸、引入方式、物理化学特性、高温合金的界面匹配关系等决定成形质量。另外，复合粉末的成分，形状及尺寸，激光快速成形参数及成形环境都与成形精度密切相关。微观组织晶粒尺寸需进一步细化，强度和硬度有待提高。因此，粉末的制备及陶瓷颗粒的选择对激光粉末床熔融成形高性能的复合材料十分重要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种激光粉末床熔融技术制备高性能镍基高温合金/陶瓷复合材料的方法，本发明提供的制备方法能够细化晶粒，提高强度和硬度，提升镍基高温合金/陶瓷复合材料的综合性能。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种激光粉末床熔融技术制备高性能镍基高温合金/陶瓷复合材料的方法，包括以下步骤：

4、将陶瓷粉末和镍基高温合金粉末混合，得到混合粉末；

5、将所述混合粉末进行激光粉末床熔融成形，得到高性能镍基高温合金/陶瓷复合材料。

6、优选地，所述陶瓷粉末为sic粉末；所述镍基高温合金粉末为in718高温合金粉末。

7、优选地，所述陶瓷粉末和镍基高温合金粉末的质量比为0.001～0.1：1。

8、优选地，所述陶瓷粉末的尺寸为0.001～200μm；所述镍基高温合金粉末的粒径范围为15～53μm。

9、优选地，所述陶瓷粉末和镍基高温合金粉末混合包括依次进行的球磨和超声振动。

10、优选地，所述球磨为湿法球磨；所述球磨的转速为100～500r/min；所述球磨的时间为2～12h。

11、优选地，所述超声振动的功率为50～80w，所述超声振动的时间为0.5～4h。

12、优选地，所述激光粉末床熔融成形的条件包括：激光功率为100～500w，扫描速率为300～2000mm/s，扫描间距为30～90μm，加工层厚为30～60μm，光斑直径为75μm。

13、优选地，所述激光粉末床熔融成形的激光扫描方式为x、y和xy中的一种。

14、优选地，所述激光粉末床熔融成形时采用的保护气体为高纯氩气；所述高纯氩气的氧气含量低于1000ppm。

15、本发明提供了一种激光粉末床熔融技术制备高性能镍基高温合金/陶瓷复合材料的方法，与现有的镍基高温合金/陶瓷复合材料制备方法相比较，本方法具有方便简单、普适性高、制备材料性能优异且能够成形任意复杂形状构件等特点。

16、作为优选的方案，本发明具有以下优点：

17、(1)本发明选取sic陶瓷颗粒加入到镍基高温合金中，形成复合材料。sic的加入未引入其他的合金元素，避免繁琐的去除工艺。sic具有较高的熔点(2827℃)，不易与合金熔体发生反应。在高温下sic发生分解，分解成si离子和c离子，存在游离的硅离子时，nb和ti倾向于形成硅化物，mc碳化物在al2o3颗粒周围形核，钉扎晶界，提升晶界强度。

18、(2)本发明提供的混合粉末制备工序简单，sic粉末与in718高温合金粉末以无水乙醇作为分散剂和粘接剂，通过低速球磨的方法使两种粉末混合，再加上适当时间的超声振动和搅拌，使二者更加均匀混合，确保sic均匀附着在in718合金球形颗粒表面。在后续干燥过程中，sic与in718能够保持良好的结合，有利于激光粉末床的铺展。另外，sic陶瓷颗粒的存在，使组织细化，晶粒尺寸从17.54μm降低至14.37μm，减小了应力集中，提升了力学性能。

19、(3)本发明提供的高性能镍基高温合金/陶瓷复合材料制备方法简单，有效减少了成形过程的凝固缺陷，提高了沉积态的成型质量，节约高温合金/陶瓷复合材料制造成本，降低了后处理成本，适用性广。该方法为镍基高温合金/陶瓷复合材料制备提供了新的技术途径，在航空航天领域具有良好的应用前景。