山东创瑞激光科技申请一种纳米颗粒改性镍基高温合金 K447A 及其制备方法专利，提高选区激光熔化成形镍基高温合金的成形质量
金融界 2024 年 8 月 28 日消息，天眼查知识产权信息显示，山东创瑞激光科技有限公司申请一项名为“一种纳米颗粒改性镍基高温合金 K447A 及其制备方法“，公开号 CN202410456080.5，申请日期为 2024 年 4 月。
专利摘要显示，本发明属于金属增材技术领域，具体涉及一种纳米颗粒改性镍基高温合金 K447A 及其制备方法。本发明通过 Y2O3 纳米颗粒改性 K447A 合金，促进晶粒由柱状晶向等轴晶转化，晶粒显著细化，晶界长度增加，大角度晶界能量降低，显著抑制了晶界处产生的裂纹，提高了选区激光熔化成形镍基高温合金的成形质量，消除了成形件晶界开裂的缺陷，有效地改善了该类高温合金的裂纹敏感性，对镍基高温铸造合金的选区激光熔化成形具有指导意义。本发明降低了成形所需的激光能量密度，提高了激光的利用率，扩大了成形工艺窗口，实现了激光快速成形无裂纹的高体积分数γ镍基高温合金。
本文源自金融界
镍基高温合金的10种铸造工艺
镍基高温合金的10种铸造工艺10大镍基高温合金的铸造工艺秘籍
【沙型铸造】这个传统工艺用沙子制作模具,可以灵活地生产出各种复杂造型的大型金属零件。不仅制造成本低,而且模具重复使用,大大提高了生产效率。从汽车到航空航天,这种铸造工艺在各行各业广受青睐。
【压铸】这个高精密工艺将熔融金属(通常是铝或锌)在高压下注入精密模具中,可制造出极其精准、表面光滑的零件。凭借严格的温度和压力控制,压铸确保了产品质量的高度一致性。
【失蜡铸造】这种古老而精湛的工艺始于工匠们手工雕塑蜡质模型,经过层层陶瓷涂层强化,最后熔掉蜡模留下完美的金属铸件。每一件作品都蕴含着工匠们的艺术气息和专业功力。
【消失模铸造】这种创新工艺使用了泡沫模型代替传统的蜡质模型。泡沫模型经过耐火材料涂层后,在熔融金属浇注时会汽化消失,留下精确的腔体。这种工艺不仅提高了精度,还大幅提升了效率。
【离心铸造】该工艺制造圆柱形零件,将熔融金属倒入高速旋转的模具中,离心力促使金属均匀分布填满整个腔体,确保零件的完美成型。这种工艺展现了金属加工中艺术与科学的完美融合。
【连续铸造】这种工艺可连续生产金属带、棒材和管材。熔融金属连续注入水冷模具,快速凝固成型,保证了高效、稳定的生产。这种技术在金属加工行业广受青睐。
【真空铸造】这一创新工艺在严格的真空环境中进行铸造,可制造出最高标准的零件,几乎无任何气孔缺陷。从精确温控到细致冷却,每个步骤都经过精心设计,确保产品质量达到最高标准。
【低压铸造】这种高效工艺采用精密控压将熔融金属注入模具。通过调节压力,可实现出色的尺寸精度,并轻松制造大型复杂零件。与传统铸造相比,这种方法可大幅减少缺陷,提高表面质量。
【壳模铸造】也称"shell molding"，该工艺通过将沙子和树脂混合制成壳状模具,再经加热固化。这种方法适用于生产中小型零件,能够确保尺寸精准、表面光洁。广泛应用于汽车、航空和消费品领域。
【挤压铸造】这种高度专业的方法结合了铸造和锻造的优点,可生产出具有卓越强度和密度的零件。在金属凝固过程中施加强大压力,可以消除气孔,确保紧密致密的金属结构。这种工艺广泛应用于需要特殊性能的重要领域。
总的来说,这些先进的铸造工艺为制造商提供了多种选择,可根据具体需求灵活应用。无论是追求精密度、表面质量,还是机械性能,都能找到合适的铸造方式。这些技术为各行业生产出高质量的金属零件做出了重要贡献。我们应该密切关注这些工艺的最新发展动态,充分利用它们带来的制造优势。
10大镍基高温合金的铸造工艺秘籍
除了上述主流的铸造工艺,业界还在不断探索新的技术,以满足更高端的制造需求。比如电子束熔炼技术、激光熔炼技术等新兴工艺,都为镍基高温合金的精密成型开辟了新的可能。
电子束熔炼采用高能电子束聚焦熔化金属粉末,可精确控制金属的熔融和凝固过程,生产出极致的金属结构和性能。这种工艺能够制造出复杂造型的零件,同时确保极高的尺寸精度和表面光洁度。它在航空航天领域得到广泛应用,为高端装备提供关键零部件。
而激光熔炼技术则利用高能激光束扫描粉末层,逐层熔融凝固,最终构建出所需的三维金属构件。这种数字化、自动化的制造方式,不仅缩短了产品开发周期,而且能够实现零件定制,大大提高了生产灵活性。对于一些结构复杂、材质特殊的高温合金件来说,激光熔炼无疑是一种高效的制造解决方案。
与传统铸造相比,这些新兴技术在精度、复杂度和灵活性等方面都有着显著优势。它们不仅提升了生产效率,更能满足高端装备对零部件性能的苛刻要求。可以说,这些前沿工艺正在推动着镍基高温合金的制造水平再上新台阶。
未来,我相信这些新技术必将与现有的铸造工艺形成有机结合,共同为各行各业提供更加优质的金属零部件。只有紧跟技术创新的步伐,我们才能在激烈的市场竞争中占据优势地位,满足客户日益苛刻的需求。作为一个行业从业者,我对镍基高温合金的制造前景充满信心和期待。
[免责声明]文章的时间、过程、图片均来自于网络，文章旨在传播正能量，均无低俗等不良引导，请观众勿对号入座，并上升到人身攻击等方面。观众理性看待本事件，切勿留下主观臆断的恶意评论，互联网不是法外之地。本文如若真实性存在争议、事件版权或图片侵权问题，请及时联系作者，我们将予以删除。 本文作者无意针对，影射任何现实国家，政体，组织，种族，个人。相关数据，理论考证于网络资料，以上内容并不代表本文作者赞同文章中的律法，规则，观点，行为以及对相关资料的真实性负责。本文作者就以上或相关所产生的任何问题概不负责，亦不承担任何直接与间接的法律责任
激光修复高温合金成型件的新方法综述
导读
高温合金由于其优异的高温力学性能和抗腐蚀性能，广泛应用于航空发动机、燃气轮机的叶片等关键热端部件。在高温、高压及腐蚀环境下的长期服役过程中，容易出现裂纹、磨损等损伤，导致零件失效。激光增材制造为高温合金叶片等损伤部件的修复再利用提供了新的可行途径。综述了激光修复技术在高温合金叶片等部件中的应用现状，重点从杂晶及裂纹两个方面分析了目前激光修复高温合金所主要面临的问题及研究现状。总结了激光修复高温合金的新手段新方法，并对激光修复高温合金的未来发展趋势进行了展望。
高温合金由于其高耐温性和高耐腐蚀性，已广泛应用于航空发动机和燃气轮机的涡轮叶片、涡轮盘和燃烧器等关键热端部件。由于高温合金叶片结构复杂，铸造过程中难度大、要求高，容易产生裂纹、缩松、浇不足等铸造缺陷，铸件质量难以稳定控制，部件成品率低；这些昂贵的热端部件需要在高温、高压、腐蚀的服役环境中长期反复使用，并在振动、离心力和流体力的作用下容易出现裂纹、磨损、腐蚀坑等损伤，导致零件失效；除此之外，叶片在后续的机加工过程中出现的加工缺陷也是导致叶片报废的一个重要原因。航空发动机叶轮、叶片等部件生产成本不仅非常昂贵，而且生产周期长，一般来说，其数值占整机数值的20%～30%，倘若直接更换则会造成严重的经济损失。而发生在叶片表面的损伤大都可以通过修复实现再利用，因此开展高温合金部件修复工艺的研究，延长零件寿命和使用率，减少对新部件的需求量就显得格外重要。目前高温合金热端部件的修复手段主要有真空钎焊、真空涂层法、等离子熔覆等。但这些方法热输入量大，容易出现裂纹和变形，无法满足精密零件修复要求。而激光熔覆所具有的激光能量密度高、热影响区小、稀释率低等优点，可以实现零件的高精度、高效率、低成本的修复，国内外学者已对激光修复高温合金开展了大量的研究和试验。
1 激光修复技术
SMEGGIL J G在20世纪80年代提出在金属表面熔覆一层金属，称之为激光熔覆技术。激光修复技术是在激光熔覆技术的基础上的进一步发展。激光修复技术也称激光熔覆修复、激光沉积修复或激光成形修复。激光修复技术与激光3D打印技术相近，但更加关注修复过程对基体的热损伤、修复材料与基体的热物性以及修复后零件的整体力学性能等问题。激光修复根据待修复零件的三维模型数据，使材料逐点、逐线、逐层堆积，利用高能激光束辐照基体和粉末形成熔池，熔池中的合金粉末与基体达到良好的冶金结合；高能量激光加热是一个快速熔化快速冷却的过程，对基体热输入量小，稀释率低，基材熔化区可以控制在几十微米甚至更小，修复后组织具有均匀细小、无宏观偏析等特点；而且激光修复技术操作灵活，自动化程度高。除此之外，相较于其他修复方法，激光修复在修复零件力学性能和成形性方面也有着独特的优势：可以使多种材料复合，适应不同零件不同部位的力学性能，而且其柔性化制造特点可以对零件不同形状、不同位置的损伤部位进行修复。目前，激光修复技术已成为工业领域绿色制造不可或缺的重要技术手段，已经在航空发动机叶片、汽轮机叶片、模具、轧辊、阀门喷嘴以及传动齿轮等众多领域的损伤零部件修复上取得了应用。
2 激光修复技术在高温合金叶片及构件用装备中的应用
1981年，将激光熔覆技术用在强化RB211发动机涡轮叶片冠部阻尼面的英国Rolls Royce公司一举成名。随后，激光修复技术在航空航天及地面装备高温合金零部件修复领域大放异彩，其中美国是最大的受益者。1983年，美国GE公司使用激光修复技术修复了发动机叶片，并将激光熔覆技术列为该公司90年代十大新技术之一。美国Sandia试验室研制的激光工程化净成形（Laser Engineered Net Shaping，LENS）技术，由于其组织致密，力学性能出色，后处理简单等特点，已应用在美军T700黑鹰直升机发动机叶片、叶轮和Abrams M1坦克燃气涡轮发动机零部件的修复中，为美军阿拉巴马军械库的修复工程每年至少节省军费开支600万美元。美国Huffman公司开发的激光熔覆沉积叶片修复系统已对航空发动机一二级普通高温合金叶片、定向凝固叶片甚至单晶叶片进行了修复。此外，早在20世纪90年代，美国便开始建立“机动部件医院”（Mobile Parts Hospital，MPH），目的是将激光增材设备移至前线，就地制造、修复所需零件以及损伤零件，截止2010年美国陆军已有4套MPH，在使用的第一个十年中便为美国制造和修复了15万个以上战场急需零部件，大大缩减了从仓库运输零部件至战场的时间和成本。随后美军又花费10年时间开发出MPH 2.0版本“移动技术复合体”（Mobile Technology Complex，MTC）和MPH 3.0版本“Ex Lab” （Expeditionary Lab），可以制造和修复更为特殊、复杂的零部件。与此同时，其他国家也将激光修复技术应用在了高温合金热端部件的修复中。韩国空军使用激光修复技术修复了F-15K战机的涡轮盘部件；意大利米兰工大与ENEL/CRTN和意大利CISE S. P. A Seqrate（MI）联合研究了X-40导向叶片和IN718转子叶片的修复技术，可以将叶片的损伤失效区域激光切除后激光焊接上修复材料。
国内燃气轮机热端部件激光修复的应用起于1990年中国科学院金属腐蚀与防护研究所对WP7-201发动机叶片平行冠磨损减尺的修复。我国在近十年激光修复技术的研究中也取得了飞速进展，其中中国科学院金属研究所、华中科技大学、W安交通大学、W北工业大学、装甲兵工程学院等单位在激光修复领域已经有了相当的成就。虽然我国在激光修复高温合金叶片及构件的应用已有很大进步，但在移动性和产业化应用等方面与美国等一些国家相比仍存在一定差距。
3 激光修复高温合金叶片及构件用装备修复中存在的问题
3.1杂晶
单晶高温合金显著减少了晶界数量，比多晶高温合金在高温下表现出更好的蠕变抗性，成为航空发动机叶片的首选材料。G?UMANN M 等首先提出了激光修复单晶高温合金的可行性。而在激光修复过程中，等轴晶和无取向的柱状晶会打断单晶的外延生长，因此控制熔池中枝晶生长形态在单晶高温合金修复中尤为重要。只有使工艺参数（激光功率、扫面速度、光束直径等）满足柱状晶生长和基体充分重熔这两个条件时，才有可能实现单晶沉积。
以上研究为激光修复单晶高温合金提供了基本理论支撑，但G?UMANN M等提出的平均比值Gn/V很难反应出真实固液界面处的CET转变。因此，后续研究采用了更精确的传热和流体流动计算模型相结合，并预测杂晶的形成，研究发现，随着扫描速度的增加，杂晶数量先增加后降低，激光功率的增加则会使杂晶增加。同时，ANDERSON T D等发现，在不同择优取向交点处的温度梯度最小，CET转变倾向最大，随后WANG L等也得出同样的结论，并发现沿[010]方向旋转45°熔池无交点，CET转变倾向最小，这使得通过减少交点控制杂晶形成而成功修复高温合金部件成为可能。工艺参数上，除了上述的扫描速度和激光功率，扫描方式也会对杂晶的形成起到影响。LIU Z Y等发现在单轨熔覆时，与单向扫描方法相比，在X、Y方向交替扫描有助于柱状晶的连续生长；但在多层外延生长中，由于激光扫描方向的改变会导致局部凝固条件如热积累和热流方向的改变，从而诱导外延枝晶沿激光扫描方向偏转或绕外延生长方向旋转，Bi向激光扫描模式反而阻碍了柱状晶的连续生长。此外，枝晶偏析也会导致杂晶的形成。LIANG Y J 等在激光重熔试验时发现，未固溶基体中的枝晶偏析会导致杂晶的形成，而固溶处理后则减轻了杂晶倾向，因此对基体进行适当的固溶处理可以避免杂晶的形成。随后LIU G等发现碳化物和共晶相周围出现了取向混乱的杂晶，这是元素偏析形成的碳化物和共晶相的熔化所导致的，而将热输入降低到50 J/mm则可以控制碳化物和共晶周围杂晶的形成。
基体的取向对柱状晶的外延生长同样起到关键作用。研究表明，将单晶基板绕X，Y和Z轴旋转，这与[100]，[010]和[001]晶体学方向一致，基体取向的改变同时改变了枝晶生长速度和温度梯度在枝晶生长方向上的分量，当（001）面绕[010]旋转45°时杂晶控制水平是最优的（见图1）。
（a）绕x轴顺时针旋转 （b）绕y轴逆时针旋转
（c）绕y轴顺时针旋转 （d）绕z轴顺时针旋转
图1 等轴晶分布随基体取向的变化
Fig.1 The distribution variation of equiaxed crystals with the orientation of the matrix
目前对基体取向的研究主要集中在传统（001）和（011）晶面，但最近发现，镍基高温合金在（111）面的[111]晶向有着最佳杨氏模量，研究（111）面的杂晶生长规律显得极为重要。GUO J C等沿单晶DD6（111）平面的不同晶向进行激光修复研究其杂晶生长情况，并与（001）和（011）晶面的结果进行比较，发现对杂晶形成的抵抗能力以（111）<（001）<（011）的顺序在增强，而在（011）面沿[100]方向进行修复可以最有效地抑制杂晶的产生，见图2。
（a）（001）面 （b）（011）面 （c）（111）面
图2 不同晶面等轴晶分布情况
Fig.2 Distribution of equiaxed crystals with different crystal planes
综上所述，工艺参数对温度梯度和枝晶生长速度的影响，基体预设温度、基体取向，以及枝晶偏析等，都将影响激光修复中杂晶的产生，在实际生产中应综合考虑诸多因素，尽可能较少或避免杂晶的形成。不过，目前对于杂晶的研究主要集中在控制CET转变，即柱状晶向等轴晶的转变上，而不同取向的柱状晶同样会影响单晶的外延生长，该方面研究还需继续深入。
（a）空冷 （b）强制水冷
图3 直接能量沉积（DED）试样纵截面光学显微图和EBSD晶粒结构图
Fig.3 Optical micrographs and EBSD grain-structure maps of longitudinal section of direct energy deposition (DED) specimens
3.2 裂纹
为了获得良好的蠕变抗性，高温合金中普遍存在40%～80%的γ￠-Ni3（Al，Ti）金属间化合物，导致高温合金的不可焊性。因此在高温合金激光修复过程中，裂纹成为一种常见的缺陷，与杂晶相比对零件的影响更大，可能直接导致零件报废。常见的裂纹有凝固裂纹和热裂纹，凝固裂纹在凝固最后阶段产生，保留在熔覆层顶部，而热裂纹在热影响区形成并保留下来，对于合金的危害更大。目前，对于激光修复单晶高温合金、多晶高温合金以及定向凝固高温合金中热裂形成机制，影响因素以及控制方法都有了一定进展。热裂产生的主要原因是由于凝固时枝晶间或晶界处的液膜被撕裂。由于组分液化或者晶界低熔点相液化，部分长大的晶粒在未封闭的晶界上接触形成了液膜，导致合金流动性不足，在热应力作用下，晶粒间的不稳定接触导致了热裂的产生。另外，激光修复的工艺参数对热裂的产生同样起到关键作用，激光功率、扫描速度等都会改变热量传输过程，影响熔池内的热应力分布，同时还会影响杂晶的形成进而产生热裂。研究发现，热裂的敏感度与晶界的位相差高度相关，晶界位相差越大越容易产生热裂，见图4，而在较小的晶界角度范围内存在一个不发生热裂的临界角度。这是因为在单晶中或者小角度晶界中，相邻枝晶臂相互桥接，将液膜分离成离散的液滴，枝晶臂承担了大部分应力使得液膜处应力集中小，而在大角度晶界中的液膜稳定性高并且高应力集中。也有研究表明，大角度晶界处的液膜在晶粒聚结前需要克服很大的排斥力，导致液膜处低剪切强度区域延伸，应变高度局域化，导致热裂的产生。ZHANG Z L等在高Hf的K447A合金中发现，晶间组织的不均匀性会导致液膜的厚度不均匀，初熔区域的液膜最厚，其次是菊花状γ/γ￠界面处，最薄的液膜在其他晶界处，而厚液膜处热裂的敏感性更大，并提出了判断液膜是否会开裂的两个判据。
（a）θ=12° （b）θ=16°
（c）θ=22° （d）θ=28°
图4 不同角度晶界位相差Bi晶焊接微观组织
Fig.4 Microstructure of welded bicrystals with different angles of grain boundary
为了减少或消除热裂的产生，降低液膜在枝晶间或晶界处的应力集中，根据合金成分和合金零件实际情况调整工艺参数就尤为重要。首先，由于杂晶的存在会引入薄弱的晶界，导致热裂倾向加剧，因此上文中提到的减少并消除杂晶的工艺参数也可以参考至此，增大扫描速度，降低功率，可以消除杂晶并避免热裂。CHEN Y等研究表明，当热输入和高度增量不变时，增加扫描速度将增大热裂倾向；当扫描速度和高度增量不变时，热输入增加则会增加热裂倾向。此外，ZHANG X Q等还发现，当热输入过高时会形成长直晶界，并对热裂纹的萌生与发展有明显的促进作用，因此减少热输入和采用Bi向扫描方法可以减少长直晶界数量并消除热裂。图5为激光输入角度与裂纹率的关系。CHEN Y等发现，通过加大激光输入角改善了横向温度梯度，提高了激光沉积过程中的散热均匀性，有效降低了热影响区热裂的敏感性，XU J J等和BIDRON G等在激光修复高温合金基体进行预热，同样降低了残余应力，抑制了热裂的产生。
图5 不同激光输入角度下截面裂纹率的分布
Fig.5 Distribution of section crack rate at different laser input angles
将杂晶控制工艺与裂纹控制工艺相结合，能得出一个更优的加工窗口，针对不同合金体系，还需进行深入探索，这将显著提升激光修复高温合金的质量。
4 激光修复高温合金叶片及构件用装备的新探索
除了对损伤部位进行传统的直接激光沉积，目前还通过一些新的手段在激光修复过程中进行辅助或者作用于修复组织，达到改善组织，提高合金修复后性能的目的。CHENG H M等采用电磁搅拌辅助激光修复技术（EMS-LR）对带有V槽的Inconel718合金进行了不同磁场电流下的修复，电磁搅拌对热传递有一定影响，在一定程度上可以改善液态金属的扩散，并抑制由液态金属对流影响的Laves相的形成，改善了修复合金的拉伸性能。LI Q Q等采用超声微锻造处理作用在45号钢上的GH3039熔覆层，由于在凝固过程中产生振动引起柱状晶破裂，细化了熔覆层晶粒，而且减少了缺陷，提升了熔覆层的机械性能，也为改善激光修复高温合金零部件提供了一个可能的方法。ZHANG P Y等采用激光冲击强化技术对激光熔覆修复的K403合金修复区进行表面强化，使表层晶粒得到细化，此外激光冲击能引入较大的残余应力，这些因素共同作用提高了修复构件的高温拉伸强度。CHEN Y等还将碳纳米管加入到激光沉积的IN718合金中，发现碳纳米管桥接了Laves相和枝晶间结合区域，增强了枝晶间应力传递，抑制了热影响区中的热裂。
5 结束语
激光修复由于其热输入量少，热影响区小，稀释率低，易实现自动化等优点，成为修复高温合金叶片等构件的关键手段。在今后的修复过程中，不仅要针对工艺参数进行优化，防止杂晶以及裂纹的产生，还需实现熔覆材料的突破，研发适合打印的高温合金粉末。另外，不断完善激光修复过程中热场与应力场的模拟研究，为基础研究打下坚实理论基础。最后，加快可移动激光修复系统的研发，将激光修复技术应用到零部件服役现场以及战场，必将成为不可或缺的关键要素。激光修复在未来数十年将为高温合金叶片或构件用装备提供强有力的保障。
文献引用：陈少峰,李金国,梁静静,等.激光修复在高温合金叶片及构件用装备中的应用及发展[J].特种铸造及有色合金，2021,41(11)：1 354-1 360.