内氧化法制备纳米颗粒增强镍铝高温合金的研究

The rapid development of nanoparticles reinforced alloys provides a new strategy to produce high-temperature metal matrix composites with excellent mechanical and anti-oxidation properties. However, owing to the high cost to produce nanoparticles, as well as the difficulty in uniform dispersion of nanoparticles and subsequent machining of the metal matrix composite into desired shape, application of nanoparticles reinforced alloys as structural materials to produce complex parts has been limited. This project aims to produce nano-oxides reinforced nickel flake powder through the internal oxidation of nickel alloys, and investigate the internal oxidation mechanism. Subsequently, nano-oxides reinforced NiAl intermetallic alloy parts will be produced from the mixture of the composite powders and other metal powders, based on powder metallurgy unibody construction (metal injection molding or 3D printing). The utilization of nickel flake powder can significantly decrease the internal oxidation time and the size of internal oxides, in the meantime, more uniform distribution of nanoparticles in metal matrix and complete oxidation can be achieved. Unibody construction based on powder metallurgy enables facile adjustment of the composition of alloys and avoids tedious machining process to produce complex shapes. In this project, owing to the synergistic properties of internal oxidation and unibody construction, nanoparticles are facilely produced and dispersed in the metal matrix, and complex parts for high-temperature applications can be constructed without additional machining. Thus, we are to establish a strategy to efficiently produce nanoparticles reinforced NiAl intermetallic alloy parts for high-temperature applications.

纳米颗粒增强金属技术领域的高速发展为高性能高温合金的制备提供了新思路。但是，目前普遍存在纳米颗粒的制作成本高、难以均匀分散，以及金属基复合材料后期加工困难等问题，限制了该技术在高温合金精密部件制备领域的应用。本项目拟开展通过合金粉末内氧化嵌入纳米氧化物并一体化成型的研究，首先通过超薄片状镍基合金粉末的内氧化来制备镍/纳米氧化物复合材料粉末，并对内氧化过程中纳米氧化物生长机制进行研究，再将镍/纳米氧化物粉末和铝粉以及其他金属粉末混合，通过粉末注射成型或者3D打印制备纳米氧化物增强镍铝高温合金。本项目将合金内氧化的方法和一体化成型技术相结合，不仅可以在合金内部均匀嵌入纳米量级氧化物颗粒，而且可以轻易地调整材料的合金成分，避免复合材料加工困难的问题。本项目的成功实施，将建立通过内氧化制备纳米颗粒增强镍铝高温合金的方法，成功制备高性能纳米氧化物增强镍铝材料并且为高温合金精密部件制造提供借鉴和参考。

航空航天产业作为国家关键战略产业之一，其附加值高、产业链带动作用明显，但技术难度大，需要多个领域协同创新才能推动其高速发展，并实现核心技术自主可控，具备国际竞争力。目前C919的发动机部分依然是完全依赖进口，其主要原因还是因为我国在发动机制造所需的高温合金材料和精密加工技术方面有所欠缺。本项目从材料方面入手，通过实现金属基复合材料部件的大规模制备，为镍铝合金实现航空航天等领域的工业化应用、解决中国在航空航天领域的“卡脖子”问题奠定良好基础。本项目中经过合适的温度程序控制后的已烧结试样完好的保持了生坯的原始形貌，证明Ni3Al材料在军工和民用领域具备应用前景。本项目采用金属注射成型工艺实现了合金复杂部件的制备，并在保证机械性能优良的情况下，将成本降低60%。同时该项目还探索了纳米金属氧化物低成本制备方法，为金属基复合材料中的纳米增强相制备提供了新思路。该方法仅以金属粉末为原料，利用等离子体和水的特性，实现了小尺寸金属氧化物的制备，与传统纳米氧化物制备技术相比，新颖简单、绿色环保，突破了传统体系需使用大量化学试剂和高压加温的限制。项目实施期间共发表SCI论文3篇，包括1篇Chemical Communications（IF=6.222），1篇Applied Sciences（IF=2.679）和1篇Powder Technology（IF=5.134）。申请中国发明专利6项，其中授权5项，并实现总价值600万元的专利转移。