一种提高增材制造时效强化型镍基合金高温疲劳性能的加工工艺及其产品

本发明属于高温合金增材制造，尤其涉及一种提高增材制造时效强化型镍基合金高温疲劳性能的加工工艺及其产品。

背景技术：

1、时效强化型镍基高温合金因γ′、γ″等沉淀强化相的弥散析出而具有优异的力学性能，广泛应用于航空航天等领域。激光增材制造技术为近净成型镍基合金复杂结构零部件提供了较大的设计自由度，有效减少了昂贵原材料的浪费，大幅缩短了加工工序和周期，因而在航空航天等领域具有重大应用前景。然而，高温疲劳断裂仍是镍基合金构件在役失效的主要形式，尤其是激光增材制造合金中存在气孔和未熔合等冶金缺陷、高的表面粗糙度和残余拉应力等易诱发裂纹萌生和扩展的不利因素。因此，提升高温疲劳性能已成为高性能激光增材制造镍基高温合金构件亟待解决的关键问题。

2、尽管热处理是增材制造镍基合金释放残余拉应力并调控各向异性微观组织和性能的重要后处理环节，但其仅能消除～70％的残余拉应力，对疲劳性能的增益效果存在较大的局限性。热等静压是另一种常见的增材制造后处理工艺，虽然其可有效减少镍基合金试样内部孔隙的数量和尺寸，但易引起γ″强化相的溶解，导致材料屈服强度降低，对疲劳性能的提升十分有限。近年来，机械喷丸(sp)、激光冲击强化(lsp)、超声喷丸等表面形变强化方法通过在合金近表层引入残余压应力，并在一定程度上改善表面粗糙度和近表层微观组织结构，进而在增材制造镍基合金的抗疲劳后处理中逐渐得到广泛关注。然而，常规表面形变强化方法仍普遍存在强化层组织和应力热稳定性差的问题，导致合金的高温疲劳性能提升不足。

3、因此，如何提供一种能够有效提高合金的高温疲劳性能的方法是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种提高增材制造时效强化型镍基合金高温疲劳性能的加工工艺及其产品。

2、为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

3、一种提高增材制造时效强化型镍基合金高温疲劳性能的加工工艺，包括以下步骤：

4、将镍基合金粉末利用粉末床激光熔融增材制造技术成型后进行固溶处理，再打磨去除氧化层后，依次经双面激光冲击强化处理、中间热处理及双面喷丸强化处理，得到lsp+ht+sp态合金。

5、有益效果：本发明中的增材制造时效强化型镍基合金的典型热处理制度是固溶-时效处理，固溶处理的主要目的是消除组织各向异性和nb元素偏析，促进硬脆laves相在基体相中的溶解，而时效热处理则是为了析出γ′和γ″纳米强化相，提高合金强度。然而，相比固溶-时效态合金，固溶态合金中由于缺少强化相，其在双面激光冲击强化处理时表面和近表层的塑性变形程度更加显著，位错密度更高，因而在强化后的时效热处理(即中间热处理)中更有利于促进纳米强化相的析出，进而提高了纳米强化相对位错的钉扎效应，改善残余压应力的热松弛行为，提高合金的高温疲劳性能。然而，由于时效热处理的热量输入不可避免地会带来部分残余应力热松弛，因而在热处理后有必要再进行一次表面形变强化处理。而激光冲击强化(lsp)和喷丸强化(sp)作为航空材料常用的两种表面形变强化方法，前者因超高的应变率而使残余压应力作用层的厚度远大于后者，但其诱导的残余压应力值不如后者显著。因此，通过lsp+sp复合，可结合两种单一强化方法的优点，使增材制造时效强化型镍基合金同时具有较厚的残余压应力层和加工硬化层及较高的表面残余应力值，从而使复合强化态合金的高温疲劳寿命显著优于单一强化态合金。因此，在中间热处理后进行双面喷丸强化处理。

6、优选的，所述镍基合金粉末采用真空感应熔炼惰性气体雾化法制备得到；

7、所述镍基合金粉末中氧、氮、氢等杂质元素含量之和不超过150ppm。

8、有益效果：本发明通过控制合金粉末中氧、氮、氢等杂质元素含量，避免杂质元素恶化合金的力学性能，尤其是高温力学性能。

9、优选的，所述粉末床激光熔融增材制造技术为激光选区熔化技术；

10、其中，激光功率为200～210w，扫描速度为1520～1600mm/s，扫描间距为58～62μm，铺粉层厚为28～32μm。

11、有益效果：本发明通过采用上述激光增材制造工艺参数，抑制了气孔和未熔合等冶金缺陷的形成，提高了合金内部的致密度，从而获得良好的疲劳性能。

12、优选的，所述固溶处理的温度为1080～1100℃，时间为1～2h。

13、优选的，所述打磨为打磨至表面粗糙度ra≤0.8μm。

14、有益效果：本发明通过打磨去除固溶处理过程合金表面形成的氧化膜，并将表面粗糙度降低至较低水平，避免因高的表面粗糙度而恶化合金的疲劳性能。

15、优选的，所述激光冲击强化的激光能量密度为6～10gw/cm2。

16、有益效果：本发明通过采用上述激光冲击强化工艺参数，使固溶态的增材制造时效强化型镍基合金表面发生显著塑性形变，形成高密度位错区，并具备厚的残余压应力层。

17、优选的，所述中间热处理的温度为600～750℃，真空度≤10-2pa，时间为4～16h。

18、有益效果：本发明通过优选中间热处理工艺，使lsp强化态的增材制造时效强化型镍基合金内部析出较多的纳米强化相并钉扎位错，进而提高微观组织和残余应力的热稳定性，改善合金的高温疲劳性能。

19、优选的，所述喷丸强化处理的弹丸直径为0.2～0.5mm，阿尔门强度为0.1～0.2mma，覆盖率≥100％。

20、有益效果：本发明通过优选的喷丸强化处理工艺，进一步加强合金表面和近表层纳米强化相与位错的钉扎作用，且合金表面形成高的残余压应力，使合金兼具厚的残余压应力层和高的残余压应力值，进一步提高合金疲劳性能。

21、一种提高增材制造时效强化型镍基合金高温疲劳性能的加工工艺制备得到的lsp+ht+sp态镍基合金。

22、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

23、本发明通过lsp+sp表面复合形变强化联合中间热处理的热力协同表面强化新工艺，调控并改善了合金强化层组织和应力的热稳定性，提升了激光增材制造镍基合金的高温疲劳性能。首先，lsp+sp复合强化结合了两种单一表面强化方法的优点，使增材制造镍基合金同时具备较厚的残余压应力层、加工硬化层以及较高的表面残余压应力值，有效提高了疲劳性能；其次，在lsp和sp两种表面形变强化工艺之间引入中间热处理，促进了高密度位错的产生和纳米强化相的析出，增强了析出相与位错和亚晶粒等亚稳缺陷的相互作用，进而有效改善了合金强化层的组织和应力热稳定性，显著提升了合金的高温疲劳性能。

技术特征：

1.一种提高增材制造时效强化型镍基合金高温疲劳性能的加工工艺，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种提高增材制造时效强化型镍基合金高温疲劳性能的加工工艺，其特征在于，所述镍基合金粉末采用真空感应熔炼惰性气体雾化法制备得到；

3.根据权利要求1所述的一种提高增材制造时效强化型镍基合金高温疲劳性能的加工工艺，其特征在于，所述粉末床激光熔融增材制造技术为激光选区熔化技术；

4.根据权利要求1所述的一种提高增材制造时效强化型镍基合金高温疲劳性能的加工工艺，其特征在于，所述固溶处理的温度为1080～1100℃，时间为1～2h。

5.根据权利要求1所述的一种提高增材制造时效强化型镍基合金高温疲劳性能的加工工艺，其特征在于，所述打磨为打磨至表面粗糙度ra≤0.8μm。

6.根据权利要求1所述的一种提高增材制造时效强化型镍基合金高温疲劳性能的加工工艺，其特征在于，所述激光冲击强化的激光能量密度为6～10gw/cm2。

7.根据权利要求1所述的一种提高增材制造时效强化型镍基合金高温疲劳性能的加工工艺，其特征在于，所述中间热处理的温度为600～750℃，真空度≤10-2pa，时间为4～16h。

8.根据权利要求1所述的一种提高增材制造时效强化型镍基合金高温疲劳性能的加工工艺，其特征在于，所述喷丸强化处理的弹丸直径为0.2～0.5mm，阿尔门强度为0.1～0.2mma，覆盖率≥100％。

9.如权利要求1所述的一种提高增材制造时效强化型镍基合金高温疲劳性能的加工工艺制备得到的lsp+ht+sp态镍基合金。

技术总结
本发明提供了一种提高增材制造时效强化型镍基合金高温疲劳性能的加工工艺及其产品，属于高温合金增材制造技术领域，包括以下步骤：将镍基合金利用粉末床激光熔融增材制造技术成型后进行固溶处理，再打磨去除氧化层后，依次经双面激光冲击强化处理、中间热处理及双面喷丸强化处理，得到LSP+HT+SP态合金。本发明通过LSP+SP表面复合形变强化联合中间热处理的热力协同表面强化新工艺，调控并改善了合金强化层组织和应力的热稳定性，提升了激光增材制造镍基合金的高温疲劳性能。

技术研发人员：欧阳佩旋,张淑婷,宋杰人,刘璐,孙滨,韩英杰
受?；さ募际跏褂谜撸?/b>北方工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/24