权利要求

1.一种增材制造梯度合金，其特征在于，包括合金基体、过渡层、熔覆层，过渡层位于合金基体与熔覆层之间，过渡层沉积于合金基体上，熔覆层沉积于过渡层上，过渡层由合金基体粉末和熔覆层粉末混合组成。

2.根据权利要求1所述的一种增材制造梯度合金，其特征在于，所述合金基体为17-4PH不锈钢、316L不锈钢、15-5 PH不锈钢、18-8 不锈钢中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的一种增材制造梯度合金，其特征在于，所述熔覆层为Incoloy800合金、Hastelloy C276合金、Inconel 600合金、Monel 400合金、Stellite 6合金中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的一种增材制造梯度合金，其特征在于，所述过渡层中合金基体粉末与熔覆层粉末的质量占比分别为：合金基体粉末的占比为10%-90%，熔覆层粉末的占比为10%-90%。

5.根据权利要求1所述的一种增材制造梯度合金，其特征在于，所述过渡层的层数为1层、2层、3层、4层中的至少一种。

6.根据权利要求5所述的一种增材制造梯度合金，其特征在于，所述过渡层的层数为多层时，每层过渡层中熔覆层粉末与合金基体粉末的质量占比由合金基体至熔覆层方向合金基体粉末质量占比逐渐降低，熔覆层粉末质量占比逐渐升高。

7.一种增材制造梯度合金的制备方法，其特征在于，包括：

步骤S1、准备合金基体粉料和熔覆层粉料，通过筛网筛选获得合金基体粉末和熔覆层粉末;将筛选后的合金基体粉末和熔覆层粉末置入干燥机中进行烘干处理;

步骤S2、将步骤S1烘干获得的合金基体粉末和熔覆层粉末按照质量占比进行充分混合，得到混合粉末;

步骤S3、采用激光熔覆工艺，在合金基体表面沉积步骤S2获得的混合粉末，形成过渡层，在过渡层表面沉积熔覆层粉末，形成熔覆层;最终形成梯度合金。

8.根据权利要求7所述的一种增材制造梯度合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中筛网为300目-500目。

9.根据权利要求7所述的一种增材制造梯度合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中烘干温度为60℃-80℃，烘干时间为18h-30h。

10.根据权利要求7所述的一种增材制造梯度合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中采用激光熔覆工艺沉积形成过渡层的工艺参数为：激光功率为800-3200 W，扫描速度为5-25 mm/s，光斑直径为3-5 mm，送粉量为0.5-2.5 r/min，搭接率为30%-80%;采用激光熔覆工艺沉积形成熔覆层的工艺参数为：激光功率为800-3200 W，扫描速度为5-25 mm/s，光斑直径为3-5 mm，送粉量为0.5-2.5 r/min，搭接率为30%-80%。

说明书

技术领域

[0001]本发明属于金属材料增材制造技术领域，具体涉及一种增材制造梯度合金及其制备方法。

背景技术

[0002]核工业领域的部分设备结构复杂，运转环境苛刻，对部件材料的机械性能及耐腐蚀性能要求极高，尤其部分国外进口设备，备件采购周期长、采购成本高，一旦损坏，停产维修周期长，将造成极大经济损失。增材制造(也称3D打印)技术是近些年兴起的一种快速成形技术，具备可实现复杂结构一体化净成形、制造周期短、材料利用率高、产品性能优良的优势。尤其在零部件修复方面，不仅可以优化产品设计方案、提高设备制造质量、降低备件采购成本，还能快速高效地解决现场紧急备件供应的问题，并优化备件库存结构，具有较大的市场应用价值。

[0003]镍基高温合金由于较好抗氧化烧蚀能力、优良制造工艺性能以及良好塑性和较高高温强度，是航空航天及核工业领域装备部件优选的修复材料。激光增材制造技术具有高能量密度、快速冷却及多次热循环等特点，因此，增材制造合金存在制造缺陷种类复杂、缺陷含量难于控制及应力分布不均匀等问题。国内外研究人员虽开展过一些打印工艺技术相关的基础性研究，但仍存在微观、宏观裂纹缺陷、力学性能低于预期等，其中如何改善修复层的应力分布并降低残余应力是金属增材制造修复技术的关键瓶颈难题。

发明内容

[0004]本发明的目的在于提供一种增材制造梯度合金及其制备方法，该合金基于过渡层设计，通过优化激光熔覆参数，能够显著抑制打印裂纹的形核生长，使得熔覆层内无裂纹，熔覆层与基体界面处无未熔合孔隙，提高熔覆层的结合效果。

[0005]实现本发明目的的技术方案：

一种增材制造梯度合金，包括合金基体、过渡层、熔覆层，过渡层位于合金基体与熔覆层之间，过渡层沉积于合金基体上，熔覆层沉积于过渡层上，过渡层由合金基体粉末和熔覆层粉末混合组成。

[0006]所述合金基体为17-4 PH不锈钢、316L不锈钢、15-5 PH不锈钢、18-8 不锈钢中的至少一种。

[0007]所述熔覆层为Incoloy 800合金、Hastelloy C276合金、Inconel 600合金、Monel400合金、Stellite 6合金中的至少一种。

[0008]所述过渡层中合金基体粉末与熔覆层粉末的质量占比分别为：合金基体粉末的占比为10%-90%，熔覆层粉末的占比为10%-90%。

[0009]所述过渡层的层数为1层、2层、3层、4层中的至少一种。

[0010]一种增材制造梯度合金的制备方法，包括：

步骤S1、准备合金基体粉料和熔覆层粉料，通过筛网筛选获得合金基体粉末和熔覆层粉末;将筛选后的合金基体粉末和熔覆层粉末置入干燥机中进行烘干处理;

步骤S2、将步骤S1烘干获得的合金基体粉末和熔覆层粉末按照质量占比进行充分混合，得到混合粉末;

步骤S3、采用激光熔覆工艺，在合金基体表面沉积步骤S2获得的混合粉末，形成过渡层，在过渡层表面沉积熔覆层粉末，形成熔覆层;最终形成梯度合金。

[0011]所述步骤S1中筛网为300目-500目。

[0012]所述步骤S1中烘干温度为60℃-80℃，烘干时间为18h-30h。

[0013]所述步骤S2中合金基体粉末和熔覆层粉末的质量占比分别为：合金基体粉末的占比为10%-90%，熔覆层粉末的占比为10%-90%。

[0014]所述步骤S3中采用激光熔覆工艺沉积形成过渡层的工艺参数为：激光功率为800-3200 W，扫描速度为5-25 mm/s，光斑直径为3-5 mm，送粉量为0.5-2.5 r/min，搭接率为30%-80%;采用激光熔覆工艺沉积形成熔覆层的工艺参数为：激光功率为800-3200 W，扫描速度为5-25 mm/s，光斑直径为3-5 mm，送粉量为0.5-2.5 r/min，搭接率为30%-80%。

[0015]本发明的有益技术效果在于：

本发明通过在合金基体与熔覆层之间沉积过渡层，并设定特定的激光熔覆参数，制备了高质量梯度合金熔覆层，使得熔覆层内无裂纹，熔覆层与基体界面处无未熔合孔隙，从而实现性能提升。

附图说明

[0016]图1为实施例1和对比例1-5的熔覆层宏观形貌光镜图：图1中的(a)为实施例1的熔覆层宏观形貌图，图1中的(b)为对比例1的熔覆层宏观形貌图，图1中的(c)为对比例2的熔覆层宏观形貌图，图1中的(d)为对比例3的熔覆层宏观形貌图，图1中的(e)为对比例4的熔覆层宏观形貌图，图1中的(f)为对比例5的熔覆层宏观形貌图;

图2为实施例1的合金的显微组织图;

图2中，1-合金基体层;2-过渡层;3-熔覆层。

具体实施方式

[0017]下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

[0018]本发明提供的一种增材制造梯度合金，包括合金基体、过渡层、熔覆层，过渡层位于合金基体与熔覆层之间，过渡层沉积于合金基体上，熔覆层沉积于过渡层上，过渡层由合金基体粉末和熔覆层粉末混合组成。

[0019]合金基体为17-4 PH不锈钢、316L不锈钢、15-5 PH不锈钢、18-8 不锈钢中的至少一种。进一步地，合金基体为17-4 PH不锈钢、316L不锈钢、15-5 PH不锈钢、18-8 不锈钢中的任意一种。优选地，合金基体为15-5 PH不锈钢。

[0020]熔覆层为Incoloy 800合金、Hastelloy C276合金、Inconel 600合金、Monel 400合金、Stellite 6合金中的至少一种。进一步地，熔覆层为Incoloy 800合金、HastelloyC276合金、Inconel 600合金、Monel 400合金、Stellite 6合金中的任意一种。优选地，熔覆层为Stellite 6合金。

[0021]过渡层中合金基体粉末与熔覆层粉末的质量占比分别为：合金基体粉末的占比为10%-90%，熔覆层粉末的占比为10%-90%。进一步地，合金基体粉末的占比为10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%中的任意一者或任意两者之间的范围;熔覆层粉末的占比为10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%中的任意一者或任意两者之间的范围。

[0022]在一具体实施方式中，按质量百分比计，过渡层由50%熔覆层粉末+50%合金基体粉末、10%熔覆层粉末+90%合金基体粉末、20%熔覆层粉末+80%合金基体粉末、30%熔覆层粉末+70%合金基体粉末、40%熔覆层粉末+60%合金基体粉末、60%熔覆层粉末+40%合金基体粉末、70%熔覆层粉末+30%合金基体粉末、80%熔覆层粉末+20%合金基体粉末、或90%熔覆层粉末+10%合金基体粉末混合组成。

[0023]过渡层的层数为1层、2层、3层、4层中的至少一种。

[0024]过渡层的层数为多层时(即，2层、3层或4层)，每层过渡层中熔覆层粉末与合金基体粉末的质量占比由合金基体至熔覆层方向合金基体粉末质量占比逐渐降低，熔覆层粉末质量占比逐渐升高。例如：

过渡层的层数为2层时，由合金基体至熔覆层方向，依次采用质量占比为40%熔覆层粉末+60%合金基体粉末、60%熔覆层粉末+40%合金基体粉末的过渡层;

过渡层的层数为3层时，由合金基体至熔覆层方向，依次采用质量占比为30%熔覆层粉末+70%合金基体粉末、50%熔覆层粉末+50%合金基体粉末、70%熔覆层粉末+30%合金基体粉末的过渡层。

[0025]过渡层的层数为多层时，由合金基体表面依次沉积每一层过渡层，直至沉积最后一层过渡层后，再沉积熔覆层。

[0026]在一具体实施方式中，15-5 PH不锈钢显微组织为马氏体，Stellite 6合金显微组织为奥氏体。

[0027]本发明提供的一种增材制造梯度合金的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1、准备合金基体粉料和熔覆层粉料，通过筛网筛选获得合金基体粉末和熔覆层粉末，筛网为300目-500目;将筛选后的合金基体粉末和熔覆层粉末置入干燥机中进行烘干处理;烘干温度为60℃-80℃，烘干时间为18h-30h;

步骤S2、将步骤S1烘干获得的合金基体粉末和熔覆层粉末按照质量占比进行充分混合，得到混合粉末;合金基体粉末和熔覆层粉末的质量占比分别为：合金基体粉末的占比为10%-90%，熔覆层粉末的占比为10%-90%;

步骤S3、采用激光熔覆工艺，在合金基体表面沉积步骤S2获得的混合粉末，形成1层过渡层，在过渡层表面沉积熔覆层粉末，形成熔覆层;最终形成梯度合金;

采用激光熔覆工艺沉积形成过渡层的工艺参数为：激光功率为800-3200 W，扫描速度为5-25 mm/s，光斑直径为3-5 mm，送粉量为0.5-2.5 r/min，搭接率为30%-80%;

采用激光熔覆工艺沉积形成熔覆层的工艺参数为：激光功率为800-3200 W，扫描速度为5-25 mm/s，光斑直径为3-5 mm，送粉量为0.5-2.5 r/min，搭接率为30%-80%。

[0028]沉积的过渡层厚度为490um-510um;沉积的熔覆层厚度为780um-800um。

[0029]实施例1

一种增材制造梯度合金的制备方法，包括：

步骤S1、合金基体粉料选用15-5 PH不锈钢，熔覆层粉料选用Stellite 6合金，准备15-5 PH不锈钢粉料和Stellite 6合金粉料，通过500目筛网筛选获得15-5 PH不锈钢粉末和Stellite 6合金粉末;将筛选后的15-5 PH不锈钢粉末和Stellite 6合金粉末置入干燥机中，65℃烘干24h;

步骤S2、将步骤S1烘干获得的15-5 PH不锈钢粉末和Stellite 6合金粉末按照质量比为1:1的比例(50%的15-5 PH不锈粉末+50%的Stellite 6合金粉末)充分混合，得到混合粉末;

步骤S3、采用激光熔覆工艺，在合金基体表面沉积步骤S2获得的混合粉末，形成1层过渡层，在过渡层表面沉积100%的步骤S1烘干获得的Stellite 6合金粉末，形成熔覆层;最终形成梯度合金;采用激光熔覆工艺沉积形成过渡层的工艺参数与沉积形成熔覆层的工艺参数相同，均为：激光功率2000W，扫描速度10mm/s，搭接率50%，光斑直径4mm，送粉量1r/min。

[0030]采用以上方法制备获得的熔覆层宏观形貌图如图1中的(a)所示，采用以上方法制备获得的合金的显微组织图如图2所示。

[0031]对比例1

对比例1与实施例1的区别在于：对比例1没有过渡层，熔覆层直接沉积于合金基体上。

[0032]对比例1熔覆层为100%的Stellite 6合金，合金制备的激光熔覆工艺参数与实施例1相同。

[0033]对比例1的熔覆层宏观形貌图如图1中的(b)所示。

[0034]对比例2

对比例2与实施例1的区别在于：对比例2没有过渡层，熔覆层直接沉积于合金基体上，合金制备的激光熔覆工艺中激光功率。

[0035]对比例2的熔覆层为100%的Stellite 6合金，激光功率为1700 W，其他激光熔覆工艺参数与实施例1相同。

[0036]对比例2的熔覆层宏观形貌图如图1中的(c)所示。

[0037]对比例3

对比例3与实施例1的区别在于：对比例3没有过渡层，熔覆层直接沉积于合金基体上，合金制备的激光熔覆工艺中激光功率。

[0038]对比例3的熔覆层为100%的Stellite 6合金，激光功率为1400 W，其他激光熔覆工艺参数与实施例1相同。

[0039]对比例3的熔覆层宏观形貌图如图1中的(d)所示。

[0040]对比例4

对比例4与实施例1的区别在于：对比例4没有过渡层，熔覆层直接沉积于合金基体上，合金制备的激光熔覆工艺中激光功率。

[0041]对比例4的熔覆层为100%的Stellite 6合金，激光功率为2300 W，其他激光熔覆工艺参数与实施例1相同。

[0042]对比例4的熔覆层宏观形貌图如图1中的(e)所示。

[0043]对比例5

对比例5与实施例1的区别在于：对比例5没有过渡层，熔覆层直接沉积于合金基体上，合金制备的激光熔覆工艺中激光功率。

[0044]对比例5的熔覆层为100%的Stellite 6合金，激光功率为2600 W，其他激光熔覆工艺参数与实施例1相同。

[0045]对比例5的熔覆层宏观形貌图如图1中的(f)所示。

[0046]显然，由图1可见，实施例1熔覆层内没有裂纹;对比例1-5均发生明显开裂，裂纹贯穿高温合金熔覆层。由此可知，在没有过渡层的情况下，熔覆层均发生明显开裂。

[0047]由图2可见，实施例1制备的合金的过渡层、熔覆层的内部组织均为柱状枝晶，层界面结合良好，无裂纹，有效抑制了激光熔覆过程中的裂纹形核生长。

[0048]本发明的梯度合金的过渡层由熔覆层粉末合金基体粉末组成，因其具有与相邻层(合金基体和熔覆层)相同的合金元素，增材制造过程的元素互扩散能够有效提高层间结合能力;优化的激光熔覆工艺参数，能够有效避免因热输入过高引起的热裂纹和热输入不足诱发的未熔合孔隙，对于抗裂纹激光熔覆梯度高温合金制备起着决定性作用。

[0049]综上所述，本发明的梯度合金基于过渡层设计，通过优化激光熔覆参数，能够显著抑制打印裂纹的形核生长，提高熔覆层的结合效果，从而实现性能提升。

[0050]上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

说明书附图(2)