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一种用于激光熔覆的镍基合金粉末的制备方法

阅读:457发布:2021-09-23

专利汇可以提供一种用于激光熔覆的镍基合金粉末的制备方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开一种用于 激光熔覆 的镍基 合金 粉末的制备方法,包括如下步骤:步骤1:将镍基合金棒材放入 真空 感应炉 内进行熔炼,得到镍基合金熔体;步骤2:将真空雾化熔炼炉内的熔炼室、雾化室、一级旋 风 分离器抽至真空状态,并填充氩气保护;步骤3:镍基合金熔体加热成为镍基合金熔液后进行雾化,在超高速惰性气体流的冲击作用下得到镍基合金粉末;步骤4:将步骤3制得的镍基合金粉末按照激光 熔覆技术 或选区激光 熔化 技术对粉末粒径的要求进行筛分和气流;步骤5:将步骤4筛分和气流得到的镍基合金粉末装舟置于真空脱气炉,进行真空脱气,最终制得高球形度的镍基合金粉末。本发明的优点在于所制得的镍基合金粉末球形度高,粉末收得率较高。,下面是一种用于激光熔覆的镍基合金粉末的制备方法专利的具体信息内容。

1.一种用于激光熔覆的镍基合金粉末的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:将镍基合金棒材放入真空感应炉内进行熔炼,得到镍基合金熔体;
步骤2:将真空雾化熔炼炉内的熔炼室、雾化室、一级旋分离器抽至真空状态,并填充氩气作为气体保护;
步骤3:镍基合金熔体加热并控制过热度达到100~350℃,待完全成为镍基合金熔液后,保温10分钟,将镍基合金熔液倒入中间包坩埚,镍基合金熔体经中间包坩埚底部的漏眼在重负压抽吸力的共同作用下流入雾化室,调节雾化压力为4~6MPa,在超高速惰性气体流的冲击作用下,镍基合金熔液粉碎成微细液滴,冷却、凝固后得到镍基合金粉末,镍基合金粉末在鼓风机抽吸力的作用下被气体带入一级旋风分离器的粉末收集装置内;
步骤4:将步骤3制得的镍基合金粉末按照激光熔覆技术或选区激光熔化技术对粉末粒径的要求进行筛分和气流;
步骤5:将步骤4筛分和气流得到的镍基合金粉末装舟置于真空脱气炉,进行真空脱气,最终制得高球形度的镍基合金粉末。
2.根据权利要求1所述的一种用于激光熔覆的镍基合金粉末的制备方法,其特征在于:
所述步骤1所述的镍基合金棒材原料成份组成的重量百分比为:Co:25~34%,Cr:26~30%,Fe:≤1.5%,Si:1.85~2.95%,Mn:0.3~0.8%,C:0.03~0.06%,S:≤0.03%,P≤0.05%,Ni:余量。
3.根据权利要求1所述的一种用于激光熔覆的镍基合金粉末的制备方法,其特征在于:
所述步骤2中所述雾化炉抽至真空状态时的压强为7x10-3~9x10-3Pa。
4.根据权利要求1所述的一种用于激光熔覆的镍基合金粉末的制备方法,其特征在于:
所述步骤3中所述中间包坩埚内温度控制在900~1500℃。
5.根据权利要求1所述的一种用于激光熔覆的镍基合金粉末的制备方法,其特征在于:
所述步骤3中所述惰性气体为高纯氩气,雾化室内的雾化压力调节为4~6MPa。
6.根据权利要求1所述的一种用于激光熔覆的镍基合金粉末的制备方法,其特征在于:
所述步骤3中漏眼的直径为3~6mm。
7.根据权利要求1所述的一种用于激光熔覆的镍基合金粉末的制备方法,其特征在于:
所述步骤4中激光选区熔化技术对于镍基合金粉末粒径要求范围为15~45μm;激光熔覆技术对于镍基合金粉末粒径要求范围为45~180μm。
8.根据权利要求1所述的一种用于激光熔覆的镍基合金粉末的制备方法,其特征在于:
所述步骤4中镍基合金粉末装舟每舟装粉高度小于14mm。
9.根据权利要求1所述的一种用于激光熔覆的镍基合金粉末的制备方法,其特征在于:
所述步骤4中真空脱气的条件为:1.5×10-2Pa真空下,依次在200~550℃和550~700℃下分别保温1~3h。

说明书全文

一种用于激光熔覆的镍基合金粉末的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及镍基合金粉末的制备方法技术领域,特别涉及一种用于激光熔覆的镍基合金粉末的制备方法。

背景技术

[0002] 3D打印是一种利用激光或电子束等手段,依据三维建模,在计算机控制下逐层添加堆积材料直接快速精确形成零件的制造技术,也称“增材制造”。增材制造技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序,利用三维设计数据在一台设备上可快速而精确地制造出任意复杂形状的零件,相较于材料去除(或变形)的传统加工和常见的特种加工技术,增材制造技术有着极高的材料利用率。
[0003] 激光选区熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)是金属零件直接成型的一种方法,是金属增材制造技术的最新发展。该技术基于快速成型的最基本思想,即逐层熔覆的“增量”制造方式,根据三维模型直接成型具有特定几何形状的零件,成型过程中金属粉末完全熔化,产生冶金结合。SLM可以生产出采用传统的机加工手段无法制造出来的形状结构复杂的金属零件,并大大减少了加工工序,缩短了加工周期。当前用于SLM的金属粉末材料有合金、合金、不锈、模具钢、镍基合金等。
[0004] 激光熔覆(Laser Cladding)亦称激光包覆或激光熔覆,是一种新的表面改性技术。它通过在基材表面添加熔覆材料,在基底合金表面上预置或同步送给所选择的金属熔覆材料,然后经激光处理使之与基底表层同时熔化,并快速凝固成与基底材料呈冶金结合的表面层,从而显著改变基底材料的耐磨、耐蚀、耐热等特性的工艺方法。
[0005] 在工业领域和民用的金属材料中,镍基合金的比例是较大的,是工业最重要的基础材料之一,它的附加价值也很大,尤其是镍基合金。它具有以下特性:(1)产品外观光泽度好;(2)耐腐蚀性能好,特别是耐点蚀性能优秀;(3)高温强度优秀,加工硬化性、抗蠕变性能优秀;(4)固溶状态无磁性。镍基合金集性能、外观与使用特性于一身,所以它未来仍将是最佳的工业和民用材料之一。采用铸造锻造等传统工艺制造的镍基合金零件,分别存在宏观成分偏析和材料利用率低、化严重,且形状不规则,压制后综合性能并不理想,而采用3D打印技术,可有效克服上述缺点。用于3D打印技术的镍基合金粉末具有不同于传统粉末冶金所需要的粉末特性,不仅要求粉末纯度高、氧含量低,还要求粉末球形度高、粒度分布均匀,以及良好的流动性和松装密度
[0006] 目前,金属粉末的主要制备方法是气雾化法,其基本原理是用高速气流将液态金属流破碎成小液滴并快速凝固成粉末的过程,由于气雾化法制备的粉末具有纯净度高、氧含量低、粉末粒度可控、生产成本低以及球形度高等优点,特别能够满足3D打印技术对于金属粉末性能的要求,已成为高性能及特种合金粉末制备技术的主要发展方向。
[0007] 真空感应熔炼(Vacuum induction melting,简称VIM)是一种在真空条件下利用电磁感应加热原理来熔炼金属的金属工艺制程。在电磁感应加热过程中会产生涡电流,使金属熔化。此制程可用来提高合金的纯度、降低合金的氧含量。
[0008] 常规的金属粉末改善、提高其流动性的方法是添加分散剂,使粉末颗粒之间的摩擦减少,从而起到提高粉末流动性的效果。但是用于激光熔覆的镍基合金粉末要求粉末的杂质含量在很低的平,添加分散剂无疑会掺入更多的杂质元素,对激光熔覆成形造成不利影响。
[0009] 粉末雾化生产中提高粉末颗粒球形度的方法是加大雾化筒体的尺寸,提高合金液滴的过热度,但是提高雾化筒体的尺寸和合金的过热度,会造成生产工艺不稳定,生产成本增加,不利于3D打印技术的推广应用。。

发明内容

[0010] 本发明的目的是提供一种用于激光熔覆的镍基合金粉末的制备方法。
[0011] 本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的:一种用于激光熔覆的镍基合金粉末的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:将镍基合金棒材放入真空感应炉内进行熔炼,得到镍基合金熔体;
步骤2:将真空雾化熔炼炉内的熔炼室、雾化室、一级旋分离器抽至真空状态,并填充氩气作为气体保护;
步骤3:镍基合金熔体加热并控制过热度达到100~350℃,待完全成为镍基合金熔液后,保温10分钟,将镍基合金熔液倒入中间包坩埚,镍基合金熔体经中间包坩埚底部的漏眼在重负压抽吸力的共同作用下流入雾化室,调节雾化压力为4~6MPa,在超高速惰性气体流的冲击作用下,镍基合金熔液粉碎成微细液滴,冷却、凝固后得到镍基合金粉末,镍基合金粉末在鼓风机抽吸力的作用下被气体带入一级旋风分离器的粉末收集装置内;
步骤4:将步骤3制得的镍基合金粉末按照激光熔覆技术或选区激光熔化技术对粉末粒径的要求进行筛分和气流;
步骤5:将步骤4筛分和气流得到的镍基合金粉末装舟置于真空脱气炉,进行真空脱气,最终制得高球形度的镍基合金粉末。
[0012] 优选的,所述步骤1所述的镍基合金棒材原料成份组成的重量百分比为:Co:25~34%,Cr:26~30%,Fe:≤1.5%,Si:1.85~2.95%,Mn:0.3~0.8%,C:0.03~0.06%,S:≤0.03%,P≤0.05%,Ni:余量。
[0013] 优选的,所述步骤2中所述雾化炉抽至真空状态时的压强为7x10-3~9x10-3Pa。
[0014] 优选的,所述步骤3中所述中间包坩埚内温度控制在900~1500℃。
[0015] 优选的,所述步骤3中所述惰性气体为高纯氩气,雾化室内的雾化压力调节为4~6MPa。
[0016] 优选的,所述步骤3中漏眼的直径为3~6mm。
[0017] 优选的,所述步骤4中激光选区熔化技术对于镍基合金粉末粒径要求范围为15~45μm;激光熔覆技术对于镍基合金粉末粒径要求范围为45~180μm。。
[0018] 优选的,所述步骤4中镍基合金粉末装舟每舟装粉高度小于14mm。
[0019] 优选的,所述步骤4中真空脱气的条件为:1.5×10-2Pa真空下,依次在200~550℃和550~700℃下分别保温1~3h。
[0020] 综上所述,本发明具有以下有益效果:1、本发明通过真空脱气工艺来提高3D打印金属粉末的流动性。真空脱气过程中使粉末间隙或者表面的气体释放出来。真空脱气处理可以提高粉末的流动性,这是因为粉末颗粒粒径越小,表面能越大,也就越容易吸附气体,吸附的气体会进一步加剧粉末的粘连、团聚。
[0021] 2、本发明的一种真空气雾化制备镍基合金粉末的方法,由于真空雾化过程是在惰性气氛下进行,有效隔绝了合金液和氧气的接触,避免了粉末的氧化,因此真空气雾化所制得的镍基合金粉末含氧量很低,由于粉末会在雾化过程受到氩气冲击达到急冷的作用,Cr在熔液中形成过饱和固溶体,经过后续热处理可使Cr以细小的质点形式析出,同时保持快速凝固的原有细小晶粒组织,使合金粉末的强度提高,可以保证球形粉末颗粒的比例在90%以上,这样使得制备的粉末可以全部用于3D打印技术。
[0022] 3、本发明制备方法的一个创新点是结合不同的3D打印技术特点,将制备的粉末通过振动筛分和气流的方法,分别用于不同的金属3D打印技术,大大提高了粉末的利用率,克服了常规3D打印用金属粉末利用率太低和非真空熔炼金属粉末存在缺陷的问题,降低了生产成本,取得了明显的经济效益。
[0023] 4、本发明制备的镍基合金粉末杂质含量低,粒径分布均匀,粉末颗粒球形度高,平均球形度≥0.80,粉末流动性好(≤17s/50g),松装密度高(≥4.5g/cm3),通过3D打印得到的成形件组织均匀、致密,尺寸精度高,力学性能优良。附图说明
[0024] 图1为实施例1制得的镍基合金粉末颗粒形貌图;图2为实施例2制得的镍基合金粉末颗粒形貌图。

具体实施方式

[0025] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明,本实施例不构成对本发明的限制。
[0026] 实施例1:采用以下步骤制备用于激光选区熔化技术的镍基合金粉末:
(1)将250kg的镍基合金棒材原料加入真空感应炉熔炼,得到镍基合金熔体,所述镍基合金棒材原料成份组成的重量百分比为:Ni:45.78%,Co:25%,Cr:26%,Fe:1.0%,Si:1.85%,Mn:0.3%,C:0.03%,S:0.01%,P:0.03%。
[0027] (2)将真空雾化熔炼炉内的熔炼室、雾化室、一级旋风分离器抽至真空状态,真空度为7x10-3Pa,并填充氩气作为气体保护。
[0028] (3)镍基合金熔体加热并控制过热度达到150℃,待完全成为镍基合金熔液后,保温10分钟,同时将中间包坩埚加热至900℃,镍基合金熔液经中间包坩埚底部的漏孔3mm在重力和负压抽吸力的共同作用下流入雾化室,气体雾化炉内的雾化压力为4MPa,在高纯氩气流的冲击作用下,合金熔体粉碎成微细液滴,冷却、凝固后得到镍基合金粉末,镍基合金粉末降落在雾化冷却塔底部,在鼓风机抽吸力的作用下被气体带入一级旋风分离器的粉末收集装置内。
[0029] (4)将步骤(3)制得的镍基合金粉末按照激光选区熔化技术对粉末粒径的要求进行筛分和气流,粒径范围为15~45μm。
[0030] (5)将步骤(4)筛分和气流得到的镍基合金粉末装舟置于真空脱气炉,每舟装粉高度小于14mm,每炉放5舟,在1.5×10-2Pa真空下,依次在300℃和600℃下分别保温1h,最终制得高球形度的用于激光选区熔化技术的镍基合金粉末。
[0031] 本实施例制备得到的镍基合金粉末颗粒形貌如图1所示,平均粒径37.87μm,球形度0.91,流动性14.7s/50g,松装密度3.88g/cm3,粉末在EOS M280设备上进行零件SLM成型,铺粉过程中粉末流动性好,成形零件变形小、组织结构均匀,力学性能满足零件的使用要求。
[0032] 实施例2:采用以下步骤制备用于激光熔覆技术的镍基合金粉末:
(1)将250kg的镍基合金原料加入真空感应炉熔炼,得到镍基合金熔体,所述镍基合金棒材原料成份组成的重量百分比为:Ni:39.75%,Co:28%,Cr :28%,Fe :1.2%,Si :2.45%,Mn:0.5%,C:0.04%,S :0.02%,P:0.04%。
[0033] (2)将真空雾化熔炼炉内的熔炼室、雾化室、一级旋风分离器抽至真空状态,真空度为9x10-3Pa,并填充氩气作为气体保护。
[0034] (3)镍基合金熔体加热并控制过热度达到200℃,待完全成为镍基合金熔液后,保温10分钟,同时将中间包坩埚加热至1200℃,镍基合金熔液经中间包坩埚底部的漏孔6mm在重力和负压抽吸力的共同作用下流入雾化室,气体雾化炉内的雾化压力为5MPa,在高纯氩气流的冲击作用下,合金熔体粉碎成微细液滴,冷却、凝固后得到镍基合金粉末,镍基合金粉末降落在雾化冷却塔底部,在鼓风机抽吸力的作用下被气体带入一级旋风分离器的粉末收集装置内。
[0035] (4)将步骤(3)制得的镍基合金粉末按照激光熔覆技术对粉末粒径的要求进行筛分和气流,粒径范围为45~180μm。
[0036] (5)将步骤(4)筛分和气流得到的镍基合金粉末装舟置于真空脱气炉,每舟装粉高度小于14mm,每炉放5舟,在1.5× 10-2Pa真空下,依次在400℃和700℃ 下分别保温3h,最终制得高球形度的用于激光熔覆技术的镍基合金粉末。
[0037] 本实施例制备得到的镍基合金粉末颗粒形貌如图2所示,平均粒径103.5μm,球形度0.85,流动性20s/50g,松装密度4.75g/cm3, 粉末在ZKZM-4000设备上进行零件激光熔覆成型,粉末铺送均匀,成形的零件组织致密、变形小。
[0038] 结果分析如图1和如图2所示为本发明所制得的镍基合金粉末,其中不存在大量形状不规则的粉末颗粒,可以看出,采用本发明方案制备的镍基合金粉末微观形貌主要为规则的球形,少量的棒状结构,粉末干燥,无明显氧化色颗粒,无目视可见夹杂,表面光滑,球形度高,粉末收得率较高。
[0039] 以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,不用于限制本发明,本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内,对本发明做出各种修改或等同替换,这种修改或等同替换也应视为落在本发明技术方案的保护范围内。
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