[发明专利]一种激光选区熔化技术制备Nb-Si基超高温合金的方法

说明书

技术领域

本发明属于高温合金制备技术领域，特别涉及一种利用激光选区熔化技术制备NbSi超高温合金的方法。

背景技术

随着高性能航空发动机、燃气涡轮机向着高流量比、高推重比、高进口温度方向发展，涡轮叶片等热端部件的工作温度不断提高，涡轮进口温度也在不断提升。目前，喷气发动机中使用的第三代镍基单晶高温合金的最高使用温度已经达到了1100～1150℃，接近该合金熔点的85％，再提升的潜力不大，因此迫切需要开发新型的结构材料。目前，难熔硅化物因其优异的综合性能，成为超高温结构材料研究领域的热点方向，而其中Nb-Si基超高温合金具有高熔点(>1750℃)、低密度(6.6-7.2g/cm³)，良好的高温强度及一定的断裂韧性、疲劳性能和可加工性等优点，成为极具竞争力的新型高温金属结构材料之一。Nb-Si基合金由Nb_SS固溶体和金属间化合物Nb₅Si₃构成的，依靠高韧性的Nb_SS固溶体承受塑性变形，提高室温断裂韧性，依靠硬脆的硅化物相Nb₅Si₃承受高温下的机械载荷，提高高温强度。

近年来，NbSi超高温合金研究重点在合金设计和制备工艺方面。合金化设计主要是添加Ti、Al、Hf、Cr、铂系金属(Re，Ru等)、Wo、Ta、Mo、稀土元素(Ho、Dy、Y)、B、C、Ge、Zr、V、Sn、N、Fe、In。合金元素的加入可以显著改善其室温断裂韧性、高温蠕变强度以及高温抗氧化能力等性能之间的匹配。在制备工艺方面，Nb-Si基合金由于其熔点高，易氧化、含有脆性相以及大量的Ti和Hf等高活性元素，制备工艺受到很大的限制，目前主要有真空非自耗/自耗电弧熔炼、真空感应熔炼、定向凝固、粉末冶金和熔模铸造等。真空电弧熔炼得到的NbSi合金组织中往往存在成分偏析现象，容易出现粗大初生相、Nb₃Si亚稳相以及裂纹等，氧含量和其它杂质含量较高，不利于高温结构材料的直接应用。粉末冶金NbSi合金时，在烧结及冷却产生的应力容易导致裂纹产生，从而影响合金的综合性能，烧结温度对合金组织的影响很大，烧结温度不同，所得产物的组织组成也不同，晶粒大小不同，组成相也可能不同(如Nb₃Si相的出现)；真空感应熔炼能保持合金成分均匀和高纯度，缺点是熔体温度不均匀，过热度低，容易形成浇铸不足等缺陷。定向凝固能消除大部分横向晶界，有效控制合金的微观组织和化学成分，并获得低缺陷的铸件，正逐渐成为制备铌硅超高温合金的主要工艺手段。但是传统的定向凝固缺点主要有：凝固过程冷却速率低，导致合金组织粗化并长大，限制了合金性能的提高，另外由于NbSi超高温合金中含有Hf、Ti等高温下化学活性很强的元素，因此在高温下非常容易与接触的坩埚发生界面反应，造成合金污染，含氧量增加，铸件夹杂增加，机械性能下降。熔模铸造Nb-Si基合金，其型壳承温能力将超过2000℃，然而目前用于高温结构材料熔模铸造的型壳承温能力多不超过1700℃，且在高温下与Nb-Si基合金发生反应，难以满足Nb-Si基合金熔模铸造成型要求。

不仅如此，上述几种方法制备NbSi合金均需要坩埚或模具，很难直接制备具有特定尺寸和复杂结构(变截面、内腔或者冷却通道)的合金件，往往需要较多的机加工和后处理，工艺繁琐，生产效率低同时容易造成合金材料的浪费。因此，开发一种更加高效的制备Nb-Si基超高温合金的方法无疑是至关重要的。

发明内容

本发明正是针对传统方法制备NbSi基超高温合金存在的问题，提供了一种激光选区熔化技术(Selective Laser Melting，SLM)快速制备NbSi基超高温合金的方法。

激光选区熔化(SLM)技术是将激光熔覆与快速原型(rapid prototyping)技术结合起来的一种最新的先进制造技术。SLM能够实现三维复杂结构零部件的无模具、高性能的快速制备。其过程主要为：利用计算机得到零部件的三维CAD实体模型，然后利用分层软件在部件高度方向进行分层切片，并将部件的三维轮廓信息转化为二维轮廓信息，并生成扫描路径。激光束按照指定的扫描路径逐层熔化沉积金属或合金粉末，堆积形成三维实体零件。经过材料及工艺优化，一次成形的致密度可高于95％，成形合金可直接满足工业需求。SLM技术适用于难加工、高性能难熔金属和合金的制备。

本发明利用SLM技术制备NbSi超高温合金的技术方案是：