趙衛(wèi)衛(wèi)

摘 要：本文采用金相顯微鏡（OM）微觀測(cè)試手段研究了激光立體成形Inconel718的組織特征，結(jié)果表明：激光立體成形Inconel718沉積態(tài)組織細(xì)密、均勻，呈現(xiàn)出沿沉積方向外延柱狀生長(zhǎng)，并貫穿多個(gè)沉積層的枝晶組織特征。

關(guān)鍵詞：激光立體成形 Inconel718 沉積態(tài) 組織

中圖分類號(hào)：TG665；0532+.25 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）02（a）-0015-01

激光立體成形（Laser Solid Forming，LSF）技術(shù)是從20世紀(jì)80年代初期發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬零件的無(wú)模具、快速、全致密近凈成形，近年來(lái)，隨著該研究的不斷深入和發(fā)展，激光立體成形技術(shù)得到了國(guó)內(nèi)外的高度重視，在航空、航天、船舶、汽車、能源、機(jī)械、醫(yī)學(xué)、動(dòng)力領(lǐng)域復(fù)雜整體構(gòu)件的高性能直接成形和快速修復(fù)等領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景[1]。

Inconel718（國(guó)內(nèi)牌號(hào)GH4169）高溫合金在-253℃～700℃溫度范圍內(nèi)具有良好的綜合性能，650℃以下具有屈服強(qiáng)度高、塑性好的特點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[2]。采用精密鑄造、精密塑性成形等傳統(tǒng)方法成形Inconel718高溫合金，存在加工周期較長(zhǎng)、柔性化較差等不足，同時(shí)，鍛造Inconel18合金不易成形復(fù)雜零件，而鑄件一般力學(xué)性能低，特別是當(dāng)鑄錠尺寸較大時(shí)，容易產(chǎn)生嚴(yán)重的偏析[2～4]。激光立體成形技術(shù)作為一種材料凝固成形新技術(shù)，低成本、短周期、高柔性、快響應(yīng)等諸多優(yōu)點(diǎn)使其成為一種具有競(jìng)爭(zhēng)力的Inconel718成形方法。本實(shí)驗(yàn)研究了激光立體成形Inconel718的沉積態(tài)組織特征，將為推進(jìn)激光立體成形Inconel

718的工程化應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

本實(shí)驗(yàn)在西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的激光立體成形系統(tǒng)上完成，該系統(tǒng)由德國(guó)Rofin公司的RS850型5 kW連續(xù)CO2激光器、DPSF-1型高精度可調(diào)自動(dòng)送粉器、LPM-408四軸三聯(lián)動(dòng)數(shù)控工作臺(tái)、側(cè)向送粉噴嘴、三維CAD建模及分層軟件、FAGOR數(shù)控軟件等組成。實(shí)驗(yàn)中基材為45#鋼，實(shí)驗(yàn)所用粉末為等離子旋轉(zhuǎn)電極法（Plasma Rotation Electrode Powder， PREP）制備的Inconel718球形粉，尺寸約為-100目～+150目，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。激光立體成形工藝參數(shù)為：激光功率2～ 2.3kW，光束掃描速度360～480 mm/min，送粉率5～8 g/min，光斑直徑3 mm，Z軸增量0.3～0.5 mm。成形試樣沿垂直光束掃描方向用電火花線切割切開(kāi)，對(duì)獲得的試樣進(jìn)行打磨、拋光后，采用鹽酸過(guò)氧化氫水混合液（H2O∶H2O2∶HCl=1∶1∶2）腐蝕劑腐蝕試樣。

2 分析與討論

激光立體成形時(shí)，材料受到的是運(yùn)動(dòng)式點(diǎn)熱源瞬間高能加熱及快速冷卻的作用，因此，成形件的組織特征必然不同于常規(guī)的鑄造組織。同時(shí)，Inconel718又屬于多元合金化的高溫合金，在激光立體成形中很可能存在復(fù)雜的組織及相變過(guò)程，因此本文首先對(duì)Inconel718沉積態(tài)的組織進(jìn)行了初步研究。

在基材為45#鋼上激光立體成形Inconel718高溫合金塊狀試樣研究發(fā)現(xiàn)，試樣表面平整，表面無(wú)肉眼可見(jiàn)裂紋，如圖1所示。圖2給出了Inconel718高溫合金激光立體成形件在垂直光束掃描方向上的橫截面光學(xué)顯微組織。圖2（a）顯示了平行于掃描方向的層帶結(jié)構(gòu)，沉積層間出現(xiàn)一條一條的弧線，兩弧線的間距即為單層沉積層層高，是典型的層帶現(xiàn)象。正是因?yàn)閷訋螒B(tài)的存在，才使得各層沉積層清晰可辨[5]。從圖2（b）中可以看出，激光立體成形Inconel718沉積態(tài)組織由沿沉積方向的外延生長(zhǎng)柱狀枝晶構(gòu)成，其基本的顯微組織是定向凝固柱狀晶結(jié)構(gòu)，同時(shí)還可以看到，這些柱狀晶組織可以從前一層沉積層延續(xù)到下一層，垂直于掃描方向趨向沿沉積方向進(jìn)行多層連續(xù)生長(zhǎng)，貫穿多個(gè)沉積層，在不同沉積層之間呈現(xiàn)出典型連續(xù)柱狀晶結(jié)構(gòu)。從沉積態(tài)金相照片也顯示出激光立體成形Inconel718組織致密、沒(méi)有疏松。層帶形態(tài)是Inconel718激光立體成形的典型特征之一，其形成原因在于激光立體成形的層狀堆積成形，層帶結(jié)構(gòu)是在激光立體成形熔池的凝固過(guò)程中形成的，是由于層帶狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部和外部組織差異的原因造成的[5]。

3 結(jié)論

激光立體成形Inconel718高溫合金沉積態(tài)組織呈現(xiàn)出沿沉積方向外延柱狀生長(zhǎng)，并貫穿多個(gè)沉積層的枝晶組織特征，沉積層存在明顯的層帶現(xiàn)象。由于激光快速熔凝所具有的高梯度、高速度的凝固特征，所得組織細(xì)密、均勻。

（致謝：本文受江漢大學(xué)機(jī)電與建筑工程學(xué)院院級(jí)科研項(xiàng)目（No.機(jī)建SY013[2013]）的資助，以及林鑫教授的指導(dǎo)與幫助，在此表示感謝。）

參考文獻(xiàn)

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[2] 黃乾堯，李漢堂.高溫合金[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2000.

[3] 白秉哲，楊魯義，趙耀峰.GH4169合金“等溫鍛造+直接時(shí)效”工藝探討[J].稀有金屬，2002，26（1）：7-32.

[4] 李愛(ài)蘭，湯鑫，蓋其東，等.熱處理工藝對(duì)K4169合金微觀組織的影響[J].航空材料學(xué)報(bào)，2006，26（3）.

[5] 昝林.激光快速成形TC21鈦合金的組織和力學(xué)性能研究[D].西北工業(yè)大學(xué)，2007.