一種快速成形制備氧化物彌散強化合金的方法技術

一種快速成形制備氧化物彌散強化合金的方法，屬于高溫合金近終成形技術領域。采用機械合金化工藝獲得氧化物彌散強化合金粉末，采用CAD軟件設計出ODS合金零件的三維實體模型，并將三維模型進行分層切片處理，使其離散化為一系列二維層面。根據切片信息對ODS合金粉末進行逐層熔化，得到所需形狀的激光快速成形坯體，采用熱等靜壓消除激光快速成形坯體中的殘留孔隙，通過后續退火或固溶+時效熱處理來優化組織性能，從而得到復雜形狀的ODS合金零部件。該發明專利技術無需包套封裝或工裝模具，對零部件形狀復雜程度沒有限制，合金成分和組織容易控制。制備出的ODS合金中氧化物彌散相細小，制品的致密度高、綜合力學性能優異。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于高溫合金近終成形
，特別提供了 一種以機械合金化粉末為原料，采用選擇性激光快速成形技術制備氧化物彌散強化(Oxide DispersionStrengthening, 0DS)合金的方法。
技術介紹
氧化物彌散強化合金是一類重要的高溫結構材料，它一般是通過納米氧化物顆粒來賦予ODS合金優異的高溫力學性能。常用的ODS合金包括鐵基ODS合金、鎳基ODS合金、鈷基ODS合金等，這些合金在能源領域具有重要的應用潛力，例如鐵基ODS合金不僅具有良好的高溫力學性能，還具有優異的抗輻照損傷性能，是聚變反應堆中的第一壁、包層和包殼管的候選材料。鎳基ODS合金或鈷基ODS合金由于具有優異的高溫蠕變性能、疲勞性能和抗氧化性能，可用于制備燃氣渦輪發動機中的葉片。ODS合金的傳統制備工藝是采用機械合金化、熱力學變形和熱處理相結合的工藝制備。首先，在高純惰性氣氛中進行高能球磨，將Y2O3顆粒均勻分散在金屬基體中，得到機械合金化粉末。其次，將機械合金化粉末用低碳鋼包套。然后采用熱等靜壓或熱擠壓工藝致密化，再結合熱軋制或冷軋技術得到最終的形狀。由于ODS合金的硬度高、很難采用傳統的燒結工藝致密化。此外，ODS合金的塑性低、加工成形性和焊接性能差，很難通過傳統方法制備出形狀復雜的葉片或其它特定形狀的零部件，制備成本高，這嚴重制約了 ODS合金的實際應用。新型低成本ODS合金的開發及其先進成形技術的研究是拓展ODS合金應用的關鍵。選擇性激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)快速成形技術是制備高性能復雜形狀ODS合金零部件的一種有效方法。SLM成形技術基于分層-疊加制造的思想，首先采用三維造型軟件設計出零件的CAD三維模型，再由切片軟件對其進行分層處理，所得的二維截面信息用于快速成形過程的控制。接著通過利用高能量激光束將金屬粉末逐層熔化并成形為金屬零件，具有制作形狀復雜、相對密度高、節省材料等優點。SLM成形金屬零件無需工裝模具，與熱等靜壓或熱擠壓成形工藝相比具有獨特優勢，能夠制造出傳統方法難以成形的復雜形狀金屬零部件。SLM快速成形技術為實現ODS合金的近終成形提供了一個很好的思路，具有快速、經濟和不受零件的復雜程度限制的優點，并且高的加熱和冷卻速率不會引起氧化物彌散相的過度粗化，制備出的零部件具有高致密度和優異的性能，將促進ODS合金的推廣應用。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種激光快速成形制備ODS合金的方法，旨在解決成形復雜形狀ODS合金的難題，具有致密度高、綜合力學性能優異、原料粉末利用率高等優點。本專利技術首先采用機械合金化工藝獲得氧化物彌散強化合金粉末，然后對機械合金化粉末進行選擇性激光快速成形得到所需形狀的坯體，然后采用熱等靜壓使其全致密，最后通過后續熱處理來優化晶粒尺寸和析出相的形貌與粒徑，從而得到所需形狀的ODS合金零部件，制備工藝如圖1所示，具體工藝步驟有1、機械合金化粉末的制備按照設計的ODS合金的成分配比進行稱量，原料為基體金屬粉末、合金元素粉末、Y2O3顆粒、氧化物細化元素，或者原料為基體金屬粉末、基體金屬氧化物粉末、氫化釔粉末、合金元素粉末、氧化物細化元素；將原料預混合均勻，然后在高純Ar氣氛中通過高能球磨將O. 3^2. 5wt. %Y203顆粒均勻分散在基體中，球/料比為(15 20)/1，球磨機的轉速為380 500轉/分，球磨時間為36 72小時，得到平均粒徑為20 85 μ m的ODS合金粉末。所述的基體金屬粉末為鐵粉、鎳粉或鈷粉；所述的合金元素粉末為Cr、N1、Mo、W、Al、T1、Co ;所述的氧化物細化元素為Ti或Hf ;所述的基體金屬氧化物粉末為鐵、鎳或鈷的氧化物。2、選擇性激光快速成形首先，利用CAD軟件設計零件的三維實體模型，并采用切片處理軟件將所述的零件的CAD模型進行分層切片處理，使其離散化為一系列二維層面，并將二維層面信息傳送到SLM成形機的控制系統中。其次，SLM成形機的鋪粉系統在工作平臺上平鋪一層ODS合金粉末，切片厚度為O. Γ0. 3mm,粉床的預熱溫度為20(T300°C。接著，根據切片信息，激光束以80(Tl500W的功率、5 50mm/s的掃描速度、O. 1(Γθ. 25mm的掃描間距對機械合金化粉末進行選擇性激光熔化得到，從而得到所需復雜形狀的將激光快速成形坯體。3、熱等靜壓將激光快速成形坯體進行熱等靜壓處理，消除激光快速成形坯中殘留的孔隙。熱等靜壓溫度為90(Tl20(rC，熱等靜壓壓力為10(T200MPa，保溫時間為廣4小時； 4、熱處理將全致密的ODS合金坯體進行退火處理、或者固溶+時效處理，得到最終的ODS合金零部件。本專利技術的優點是利用高能量激光束將金屬粉末逐層熔化并成形ODS合金零件，無需包套封裝或工裝模具，對零部件形狀的復雜程度沒有限制，合金成分和組織容易控制，是一種快速、經濟的近終成形技術，所得的ODS合金不存在熱、冷加工工藝產生的各向異性，氧化物彌散相的粒徑細小，制品的致密度高、綜合力學性能優異。附圖說明圖1為本專利技術的工藝流程圖具體實施例方式實施例1 :快速成形9Cr- ODS鐵基合金 以高純鐵粉、鉻粉、鎢粉、鈦粉、石墨粉末和粒度為20-30nm的Y2O3粉末為原料，按如下質量百分含量進行配比9%Cr、2%W、0. 2% Ti,O. 13%C、0. 3%Y203和余量Fe。首先，將混合粉末在高純Ar氣氛中進行高能球磨使Y2O3顆粒均勻分散在Ni基體中，球/料比為15/1，球磨機轉速為380轉/分，球磨時間為40小時，得到平均粒徑為61 μ m的機械合金化粉末。其次，采用CAD軟件設計出零件的三維實體模型，然后將三維模型進行分層切片處理，使其離 散化為一系列二維層面，并將而為層面信息傳送到SLM成形機的控制系統。同時，SLM成形機的鋪粉系統在工作平臺上平鋪一層ODS合金粉末，切片厚度為O. 1_，粉床的預熱溫度為200°C。激光束以800W的功率、5mm/s的掃描速度、O. 15mm的掃描間距對機械合金化粉末進行選擇性激光熔化，并按照各個切片的信息逐層熔化ODS合金粉末，從而得到復雜形狀鐵基ODS合金零部件。然后，將激光快速成形的坯體進行熱等靜壓處理，消除快速成形坯中的殘留孔隙。熱等靜壓溫度為1100°C，熱等靜壓壓力為150MPa，保溫時間為2小時。最后，將全致密的鐵基ODS合金坯體在600°C退火2小時，得到最終的鐵基ODS合金零部件。實施例2 :快速成形12Cr- ODS鐵基合金 以高純鐵粉、鉻粉、鎢粉、鈦粉、石墨粉和粒度為20-30nm的Y2O3粉末為原料，按如下質量百分含量進行配比12%Cr、2%W、0. 3% Ti,O. 03%C、0. 4%Y203和余量Fe。首先，將混合粉末在高純Ar氣氛中進行高能球磨使Y2O3顆粒均勻分散在Ni基體中，球/料比為20/1，球磨機轉速為400轉/分，球磨時間為48小時，得到平均粒徑為52 μ m的機械合金化粉末。其次，采用CAD軟件設計出零件的三維實體模型，然后將三維模型進行分層切片處理，使其離 散化為一系列二維層面，并將而為層面信息傳送到SLM成形機的控制系統。同時，SLM成形機的鋪粉系統在工作平臺上平鋪一層鐵基ODS合金粉末，切片本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種快速成形制備氧化物彌散強化合金的方法，其特征在于：步驟一、按照設計的ODS合金的成分配比進行稱量，原料為基體金屬粉末、合金元素粉末、Y2O3顆粒、氧化物細化元素，或者原料為基體金屬粉末、基體金屬氧化物粉末、氫化釔粉末、合金元素粉末、氧化物細化元素；將原料預混合均勻，然后在高純Ar氣氛中通過高能球磨將0.3~2.5wt.%Y2O3顆粒均勻分散在基體中，球/料比為（15~20）/1，球磨機的轉速為380~500轉/分，球磨時間為36~72小時，得到平均粒徑為20~85μm的ODS合金粉末；步驟二、利用CAD軟件設計零件的三維實體模型，并采用切片處理軟件將所述的零件的CAD模型進行分層切片處理，使其離散化為一系列二維層面，并將二維層面信息傳送到SLM成形機的控制系統中；SLM成形機的鋪粉系統在工作平臺上平鋪一層ODS合金粉末，切片厚度為0.1~0.3mm，粉床的預熱溫度為120~200℃；根據切片信息，激光束以200~300W的功率、0.1~0.3m/s的掃描速度、0.10~0.25mm的掃描間距對機械合金化粉末進行選擇性激光熔化得到，從而得到復雜形狀的激光快速成形坯體；步驟三、將激光快速成形坯體進行熱等靜壓處理，消除激光快速成形坯中殘留孔隙，熱等靜壓溫度為900~1200℃，熱等靜壓壓力為100~200MPa，保溫時間為1~4小時，得到全致密的ODS合金坯體；步驟四、將全致密的ODS合金坯體進行退火處理或者固溶+時效處理，得到最終的ODS合金零部件。...

【技術特征摘要】
1.一種快速成形制備氧化物彌散強化合金的方法，其特征在于步驟一、按照設計的ODS合金的成分配比進行稱量，原料為基體金屬粉末、合金元素粉末、Y2O3顆粒、氧化物細化元素，或者原料為基體金屬粉末、基體金屬氧化物粉末、氫化釔粉末、合金元素粉末、氧化物細化元素；將原料預混合均勻，然后在高純Ar氣氛中通過高能球磨將O. 3^2. 5wt. %Y203顆粒均勻分散在基體中，球/料比為(15 20) /1，球磨機的轉速為 380^500轉/分，球磨時間為36 72小時，得到平均粒徑為20 85 μ m的ODS合金粉末；步驟二、利用CAD軟件設計零件的三維實體模型，并采用切片處理軟件將所述的零件的CAD模型進行分層切片處理，使其離散化為一系列二維層面，并將二維層面信息傳送到 SLM成形機的控制系統中；SLM成形機的鋪粉系統在工作平臺上平鋪一層ODS合金粉末，切片厚度為O. Γ0. ...

【專利技術屬性】
技術研發人員：章林，曲選輝，頡芳霞，劉燁，秦明禮，何新波，
申請(專利權)人：北京科技大學，
類型：發明
國別省市：