一種Nb-Si基超高溫合金渦輪葉片的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于渦輪葉片制造【技術領域】，特別涉及一種電子束快速成形技術(electron?beam?melting，EBM)制備NbSi基超高溫合金渦輪葉片的方法，利用電子束選區(qū)快速成型設備，通過設置合理的工藝參數(shù)，直接由CAD模型一步完成復雜NbSi合金渦輪葉片的制備，得到的渦輪葉片致密度高，成形精度良好，缺陷少，合金葉片主要由Nbss固溶體和Nb5Si3強化相組成，相尺寸細小且分布均勻，可以提高渦輪葉片的綜合性能。本方法成形渦輪葉片過程無需模具，減少合金污染與氧化，降低夾雜含量，合金材料利用率高，可以提高葉片的綜合性能。
【專利說明】一種Nb-Si基超高溫合金渦輪葉片的制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于渦輪葉片制造【技術領域】，具體涉及一種Nb-Si基超高溫合金渦輪葉片的制備方法。
【背景技術】
[0002]高性能飛機的發(fā)展有賴于航空發(fā)動機技術的持續(xù)進步。隨著燃氣渦輪發(fā)動機推重比和效率的提高，渦輪進口溫度不斷增加。在燃氣渦輪發(fā)動機部件中，渦輪葉片的工作條件最為苛刻，不僅要承受極端的高溫、高應力和惡劣的腐蝕環(huán)境，而且要求長使用壽命，這就要求渦輪葉片材料具有高的抗蠕變性能、良好的抗腐蝕性能、高的高溫持久強度和斷裂韌性等。
[0003]目前航空發(fā)動機渦輪葉片使用的第三代鎳基單晶高溫合金，其使用溫度極限為1150°C，接近該合金熔點的85%，要想進一步提高其使用溫度是非常困難的。因此開發(fā)具有更高承溫能力的葉片材料，對航空發(fā)動機的制造有著重要意義。在過去的20多年中，難熔硅化物因其高熔點、低密度和優(yōu)良的高溫性能等特點受到廣泛關注。其中Nb-Si基合金(密度6.6?7.2g/cm3,斷裂韌性可超過20MPa.m1/2)，最有潛力作為發(fā)動機渦輪葉片用材料。
[0004]Nb-Si基超高溫合金基本組成相是韌性固溶體NbsJP堅硬的金屬間化合物Nb5Si3。這種韌/硬兩相組織在發(fā)揮優(yōu)良高溫強度的同時，具有一定的室溫韌性。由于Nb-Si基合金熔點極高(超過1800°C )，同時含有大量的Ti和Hf等高活性元素，導致合金材料制備困難。Nb-Si基合金的制備主要有非自耗真空電弧熔煉、感應熔煉、熔模鑄造和定向凝固等方法。真空電弧熔煉制備Nb-Si基合金，組織均勻性不可控，存在大量縮孔縮松，影響合金性能。真空感應熔煉制備Nb-Si基合金，能保持合金成分均勻，但是制備過程熔體溫度不均勻，過熱度低，容易形成澆鑄不足等缺陷。定向凝固可以獲得綜合性能好的組織，具有近終成形及效率高的等特點，成為制備Nb-Si基合金的首選方法，但是在高溫下，熔體非常容易與坩堝發(fā)生界面反應，含氧量和夾雜增加，降低合金性能。熔模鑄造制備Nb-Si合金技術還未得到充分發(fā)展，熔融的Nb-Si基合金活性限制了陶瓷基模殼系統(tǒng)的應用。
[0005]不僅如此，渦輪葉片結構極其復雜(附圖1)，采用上述方法制備葉片需要準備復雜的模具或模殼，工藝繁瑣，同時需要許多后處理工序，生產效率低。因此，解決Nb-Si基超高溫合金渦輪葉片的成形問題至關重要。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明正是針對上述問題，提供了一種采用電子束選區(qū)熔化快速成形技術(electron beam melting, EBM)快速制備NbSi基超高溫合金潤輪葉片的方法。
[0007]EBM可以實現(xiàn)三維復雜結構零部件的無模具、高性能的快速制備。其原理為:基于離散/堆積成形原理，利用計算機得到零部件的三維CAD實體模型，然后利用分層軟件在部件高度方向進行分層切片，并將部件的三維輪廓信息轉化為二維輪廓信息，并生成掃描路徑。電子槍發(fā)射的高能電子束根據(jù)指定的掃描路徑，逐層熔化沉積預置的金屬或合金粉末，層層堆積形成三維零件。EBM方法經濟、快速，特別適用于難加工、高性能難熔金屬或合金零件的制備。
[0008]本發(fā)明利用電子束選區(qū)熔化快速成形技術制備NbSi基超高溫合金渦輪葉片，附圖2為電子束快速成形設備的結構原理示意圖。
[0009]本發(fā)明制備渦輪葉片的技術方案是:
[0010]一種NbSi基超高溫合金渦輪葉片的快速制備方法，其特征在于包括以下步驟:
[0011]1.首先利用三維制圖軟件(Magics)建立需要的渦輪葉片(7)的三維CAD模型，并保存為STL文件；然后利用分層軟件(EBM assembler)對STL文件在高度方向上進行分層切片處理，分割成厚度均勻(0.05~0.1mm)的切片，切片包含葉片(7)的橫截面輪廓信息和掃描加工路徑；利用分層軟件將切片保存為ABF文件，并導入電子束選區(qū)快速成形設備
(9)中；
[0012]2.將NbSi合金粉末裝入到設備(9)中的鋪粉機構(5)中。當設備(9)抽真空至10_3Pa~10_2Pa后，電子槍⑴發(fā)射出電子束流(2)，并在聚焦線圈(3)和偏轉線圈⑷的作用下，按照預先設計的預熱路徑(13)對成形基板(8)進行預熱；
[0013]3.預熱成形基板(8)至指定溫度后，鋪粉機構(5)在成形基板(8)鋪上一層特定厚度(與切片厚度相同)的NbSi合金粉末(6);然后電子槍(I)發(fā)射出電子束流(2)，并在聚焦線圈(3)和偏轉線圈(4)的作用下，按照預先設計的預熱路徑(13)對所有粉末(6)進行預熱；
[0014]4.預熱粉末(6)至指定溫度后，電子束流(2)流按照預先設計的熔化路徑(14)熔化指定區(qū)域的金屬(合金)粉末(6)，電子束流(2)掃描到的地方金屬粉末(6)熔化形成熔池(11)并隨著電子束流(2)的離開而迅速沉積得到沉積層(10)；
[0015]5.完成一個層面加工之后，成形基板(8)向下移動一個粉末(6)層厚的距離，鋪粉機構(5)在已沉積層(10)上鋪上一層新的金屬粉末(6)，重復步驟3、4，如此層層堆積，直到完成整個渦輪葉片(7)的加工；
[0016]本發(fā)明所米用IS氣霧化法制備的預合金化NbSi基合金粉末,其特征在于NbSi粉末呈球形或近球形，直徑應在50~150 μ m之間。
[0017]本發(fā)明中，NbSi超高溫合金渦輪葉片制備過程中，鋪粉厚度為0.05mm~0.1mm。
[0018]本發(fā)明中，NbSi超高溫合金渦輪葉片制備過程采用Ti6A14V成形基板，厚度為IOmm0
[0019]本發(fā)明中，NbSi超高溫合金渦輪葉片制備過程包括基板預熱、粉末預熱和熔化過程，預熱過程是防止粉末飛濺，促進粉末預燒結，同時使成形維持在一個較高的溫度，減少成形葉片內應力。
[0020]本發(fā)明中，制備NbSi超高溫渦輪葉片過程中，電子束加速電壓維持在60kV。
[0021]本發(fā)明中，制備NbSi超高溫渦輪葉片所采用的成形基板預熱參數(shù)為:電子束掃描速度為12000mm/s，電子束流為40mA，掃描間距0.05~0.2mm。
[0022]本發(fā)明中，制備NbSi超高溫渦輪葉片所采用的粉末預熱參數(shù)為:預熱6~10次，電子束掃描速度為6000mm/s~8000mm/s,電子束流為30~40mA,掃描間距0.05~0.2mm ；
[0023]本發(fā)明中，制備NbSi超高溫渦輪葉片所采用的粉末熔化參數(shù)為:熔化I次，電子束掃描速度為400?600mm/s，熔化電流為8?12mA，掃描間距0.05?0.2mm。
[0024]本發(fā)明中，制備NbSi超高溫渦輪葉片設備的真空度維持在KT3Pa?KT2Pa ；
[0025]本發(fā)明中，成形基板和粉末的預熱溫度相同，控制在900?1100°C之間；
[0026]本發(fā)明中，制備NbSi超高溫渦輪葉片過程完成后，向葉片成形區(qū)沖入氬氣加快冷卻，至葉片溫度降至100°C時，取出葉片冷卻至室溫。
[0027]與傳統(tǒng)方法制備航空發(fā)動機渦輪葉片的方法相比，本發(fā)明技術方案的優(yōu)點是:
[0028](I)電子束選區(qū)快速成形技術幾乎不受葉片形狀的制約，可以直接加工形狀復雜的渦輪葉片，近凈成形，成形葉片無需或者很少的后處理；成形過程中無需鍛造、鑄造及模具，避免合金污染，顯著縮短葉片的制造周期，降低制造成本；同時未加工、多余的NbSi粉末可以回收重復利用，材料利用率高；
[0029](2)NbSi合金中氧含量的增加會降低合金的性能，而電子束成形采用的高真空環(huán)境，對高溫狀態(tài)的NbSi合金具有更好的保護效果，能有效避免合金的氧化，同時真空下具有提純效果，可以提高NbSi合金葉片的性能。
[0030](3)能量利用率高(電子束吸收率>75% )，束流可以很容易實現(xiàn)大功率，因而材料的熔化堆積速度非?？欤瑴u輪葉片制造迅速。
[0031](4)由于對粉末進行預熱，成形時葉片溫度始終維持在900?1100°C之間，一方面相當于熱處理作用，使成形葉片的內部熱應力減少，防止變形，有利于葉片強度及塑性的良好匹配；另一方面有助于葉片組織性能的均一化。
[0032](5)電子束快速成形NbSi渦輪葉片，粉末熔化時熔池尺寸很小，凝固時間極短，因此冷卻速度很大，為高度非平衡凝固，凝固時間極短，能有效減少NbSi合金的微觀偏析，而且合金致密度高，具有細小、均勻、穩(wěn)定的快速凝固組織，從而獲得力學性能優(yōu)異的NbSi超高溫合金渦輪葉片。
[0033](6) EBM技術可以直接制備形狀復雜的渦輪葉片，葉片致密度(>99% )和成形精度較高，葉片表面粗糙度約為Ra25 ;粉末熔化燒結充分，層間結合良好，葉片表面無明顯氣孔和未溶粉末。葉片組織由Nbss固溶體和Nb5Si3兩相組成，兩相尺寸極為細小，達到納米尺度，而且兩相分布均勻，這些組織特征有利于提高葉片的綜合性能。
[0034]下面通過附圖和【具體實施方式】詳述本發(fā)明。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0035]附圖1為渦輪葉片結構示意圖；
[0036]附圖2為EBM設備及其成形過程示意圖；
[0037]附圖3為EBM過程微觀示意圖；
[0038]附圖4為EBM過程中基板預熱、粉末預熱和粉末熔化示意圖；
[0039]附圖5為EBM技術制備的Nb-18S1-24T1-2Cr-2Al_2Hf渦輪葉片實物圖；
[0040]附圖6為EBM技術制備的Nb-18S1-24T1-2Cr-2Al-2Hf渦輪葉片XRD譜圖；
[0041]附圖7為EBM技術制備Nb-18S1-24T1-2Cr-2Al-2Hf渦輪葉片橫截面微觀組織圖；
[0042]附圖中各數(shù)字含義:
[0043]1-電子槍；2_電子束流；3_聚焦線圈；4_偏轉線圈；5_鋪粉機構；6_合金粉末；7-渦輪葉片；[0044]8-成形基板；9_成形設備；10-沉積層；11-溶池；12_預熱路徑；13_溶化路徑?！揪唧w實施方式】
[0045]實施例1:Nb-18S1-24T1-2Cr-2Al-2Hf (at.%，原子百分比)超高溫合金渦輪葉片快速制備。
[0046]1.首先利用 CAD 三維制圖軟件(如 Magics 等)建立 Nb-18S1-24T1-2Cr-2Al_2Hf合金渦輪葉片(7)的三維STL文件；然后利用分層軟件(如EBM assembler等)對STL文件在高度方向上進行分層切片處理，均勻分割成厚度為0.05mm的切片，切片包含葉片(7)的橫截面信息和掃描加工路徑；利用分層軟件將切片保存為ABF文件，并導入電子束選區(qū)快速成形設備(9)中；
[0047]2.將氬氣霧化尺寸在50?150 μ m間的Nb-18S1-24T1-2Cr-2Al_2Hf粉末(6)裝入鋪粉機構(5)中。設備(9)抽真空至10_3?10_2Pa后，電子槍⑴發(fā)射出電子束流(2)，并在聚焦線圈(3)和偏轉線圈(4)的作用下，按照Z字型預熱路徑(13)對Ti6A14V成形基板⑶進行預熱，預熱參數(shù)為:掃描速度12000mm/s，束流為40mA，掃描間距為0.2mm。
[0048]3.預熱成形基板(8)至1000°C后，鋪粉機構(5)在成形基板(8)鋪上一層厚度為
0.05mm 的 Nb-18S1-24T1-2Cr-2Al-2Hf 粉末(6)；
[0049]4.一層鋪粉完成后，電子槍(I)發(fā)射出電子束流(2)，并在聚焦線圈(3)和偏轉線圈(4)的作用下，按照Z字型預熱路徑(13)對所有粉末(6)進行預熱；預熱參數(shù)為:預熱6次，掃描速度6000mm/s，束流30mA，掃描間距為0.2mm ；
[0050]5.預熱粉末(6)至1000°C后，電子束流(2)流按照當前層指定的熔化路徑(14)熔化Nb-18S1-24T1-2Cr-2Al-2Hf合金粉末(6)。熔化參數(shù)為:熔化I次，掃描速度500mm/s，熔化電流為10mA，掃描間距0.1mm。電子束流(2)掃描到的地方合金粉末(6)熔化形成熔池(11)并隨著電子束流(2)的離開而迅速凝固沉積得到沉積層(10);完成一個層面加工之后，成形基板(8)垂直向下移動0.05mm(—個粉末層的厚度)；
[0051]6.鋪粉機構(5)在已沉積層(10)上鋪上一層厚度為0.05mm新的NbSi基合金粉末(6)，重復步驟4-5。如此層層堆積，直到完成渦輪葉片(7)的加工；
[0052]7.在渦輪葉片(7)制造完成后，向成形區(qū)域沖入氬氣加快冷卻，至渦輪葉片(7)溫度降至100°C時，取出并空冷至室溫。
[0053]由附圖5可以看出，利用電子束選區(qū)快速成形技術(EBM)可以制備具有復雜結構的渦輪葉片，葉片成形致密度(>99%)和精度較高，表面粗糙度約為Ra25 ;粉末熔化燒結充分，層間結合良好，葉片表面沒有氣孔和未溶粉末出現(xiàn)。
[0054]由附圖6可得出，電子束選區(qū)熔化快速成形Nb-18S1-24T1-2Cr-2Al-2Hf渦輪葉片的組織主要為Nbss固溶體和Nb5Si3兩相。
[0055]附圖7為電子束選區(qū)快速成形Nb-18S1-24T1-2Cr-2Al-2Hf葉片的顯微組織圖，其中淺色相為Nbss，深色相為Nb5Si315由圖得出成形葉片組織致密，存在少量尺寸極小的規(guī)則圓形氣孔(尺寸〈lym)，層間結合良好，沒有未溶的合金粉末；葉片中Nbss固溶體和Nb5Si3兩相十分細小，達到納米尺度，而且兩相分布均勻，這些組織特征有利于提高葉片的綜合性倉泛。
[0056]本發(fā)明中，電子束選區(qū)熔化加工渦輪葉片的過程中，葉片基體始終保持較高的溫度，有助于組織性能的均一化，在葉片的不同的位置，組織特征基本一致。
[0057]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明進行限制，根據(jù)本發(fā)明的技術實質對上述實例所做的NbSi合金成分、制備參數(shù)的簡單修改，仍屬于本發(fā)明的技術方案保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種NbSi基超高溫合金渦輪葉片的快速制備方法，其特征在于，利用電子束選區(qū)熔化快速成形技術制備渦輪葉片，制備過程包括以下步驟: (1).建立待加工的渦輪葉片的三維CAD模型，然后在高度方向上對其進行分層切片處理以分割成厚度均勻的切片，切片包含渦輪葉片的橫截面輪廓信息和加工路徑，并將切片文件導入電子束選區(qū)快速成形設備中； (2).在電子束選區(qū)快速成形設備內裝入NbSi合金粉末，并將成形基板放置于電子束選區(qū)快速成形設備的成形腔內可升降的平臺上，并對成形腔抽真空； (3).利用電子束按照預先設計的預熱路徑對成形基板進行預熱，預熱完成后，刮粉裝置在基板上均勻鋪設一層NbSi合金粉末，粉末厚度與步驟(1)中切片厚度相等； (4).利用電子束按照預先設計的預熱路徑對基板上的所有粉末進行預熱； (5).粉末預熱至指定溫度后，電子束流流按照預先設計的熔化路徑熔化指定區(qū)域的合金粉末，電子束流掃描到的地方合金粉末熔化形成熔池并隨著電子束流的離開而迅速沉積得到沉積層； (6).完成步驟(5)中對一個層面的加工后，成形基板下降一個層厚的距離，刮粉裝置在步驟(5)中形成的已沉積層上再均勻鋪設一層NbSi合金粉末； (J).重復上述步驟(4)-?)，直至NbSi超高溫合金葉片加工完成；加工完成后，向成形腔沖入冷卻氣體，加快渦輪葉片的冷卻，至渦輪葉片的溫度降至100°C以下時，取出并冷卻至室溫。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種NbSi基超高溫合金渦輪葉片的快速制備方法，其特征在于，步驟(1)中所述的切片厚度為0.05~0.1mm。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種NbSi基超高溫合金渦輪葉片的快速制備方法，其特征在于，步驟(2)中所選用的NbSi合金粉末由氬氣霧化法制備而得，呈球形或近球形，直徑為50 ~150 μ m。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種NbSi基超高溫合金渦輪葉片的快速制備方法，其特征在于，所述的NbSi合金粉末成分以原子百分比計為Nb-18S1-24T1-2Cr-2Al-2Hf。
5.根據(jù)權利要求1或4所述的一種NbSi基超高溫合金渦輪葉片的快速制備方法，其特征在于，可以直接制備形狀復雜的渦輪葉片，冷卻到室溫得到的渦輪葉片致密度>99%，表面精度較高，成形缺陷少，主要組織由Nbss固溶體和Nb5Si3強化相組成，相尺寸〈I μ m并且分布均勻。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種NbSi基超高溫合金渦輪葉片的快速制備方法，其特征在于，所述的成形基板采用Ti6A14V成形基板。
7.根據(jù)權利要求6所述的一種NbSi基超高溫合金渦輪葉片的快速制備方法，其特征在于，所述的Ti6A14V成形基板厚度為10mm。
8.根據(jù)權利要求1所述的一種NbSi基超高溫合金渦輪葉片的快速制備方法，其特征在于，所述的電子束選區(qū)快速成形設備的電子束加速電壓維持在60kV。
9.根據(jù)權利要求1所述的一種NbSi基超高溫合金渦輪葉片的快速制備方法，其特征在于，步驟⑵中抽真空后成形腔內的真空度為KT3Pa~10_2Pa。
10.根據(jù)權利要求1所述的一種NbSi基超高溫合金渦輪葉片的快速制備方法，其特征在于，步驟⑶中，基板的預熱溫度為900~1100°C。
11.根據(jù)權利要求1或10所述的一種NbSi基超高溫合金渦輪葉片的快速制備方法，其特征在于，步驟(3)中，基板的預熱參數(shù)為:電子束掃描速度為12000mm/s，電子束流為40mA,掃描間距0.05~0.2mm。
12.根據(jù)權利要求1所述的一種NbSi基超高溫合金渦輪葉片的快速制備方法，其特征在于，步驟(4)中，粉末的預熱溫度與基板相同，為900~1100°C。
13.根據(jù)權利要求1或12所述的一種NbSi基超高溫合金渦輪葉片的快速制備方法，其特征在于，步驟(4)中，粉末預熱參數(shù)為:預熱6~10次，電子束掃描速度為6000mm/s~8000mm/s,電子束流為30~40mA，掃描間距0.05~0.2_。
14.根據(jù)權利要求1所述的一種NbSi基超高溫合金渦輪葉片的快速制備方法，其特征在于，步驟(3)中，在基板上均勻鋪設的NbSi合金粉末厚度為0.05~0.1mm。
15.根據(jù)權利要求1所述的一種NbSi基超高溫合金渦輪葉片的快速制備方法，其特征在于，步驟(5)中，粉末熔化參數(shù):熔化I次，電子束掃描速度為400~600mm/s，熔化電流為8~12mA，掃描間距0.05~0.2mm。
16.根據(jù)權利要求1 所述的一種NbSi基超高溫合金渦輪葉片的快速制備方法，其特征在于，步驟(6)中，再均勻鋪設的NbSi合金粉末厚度為0.05~0.1mm。
17.根據(jù)權利要求1所述的一種NbSi基超高溫合金渦輪葉片的快速制備方法，其特征在于，步驟(7)中，所述的冷卻氣體為氬氣。
【文檔編號】B22F5/04GK103949646SQ201410211028
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月19日 優(yōu)先權日:2014年5月19日
【發(fā)明者】徐惠彬, 孫少波, 賈麗娜, 李震, 張虎 申請人:北京航空航天大學