（中南大學(xué)粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083）

GH4169高溫合金具有強(qiáng)度高、耐腐蝕性能和抗氧化性能良好等特性，服役溫度達(dá)到650℃左右，大量應(yīng)用于航空、航天、核電、石油等領(lǐng)域，同時(shí)GH4169高溫合金也具有良好的焊接和成形性能，廣泛應(yīng)用于以激光、電子束和電弧等作為熱源的增材制造技術(shù)中[1–2]。傳統(tǒng)的GH4169高溫合金鑄造零件通常采用熔模精密鑄造的方法制備，將熔化的熔體澆注成最終的形狀[3]，而選區(qū)激光熔化是一種快速成形增材制造技術(shù)，該技術(shù)是基于離散材料逐層堆積成形的原理，依據(jù)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出的三維CAD模型，快速“打印”出產(chǎn)品原型或零部件，可制造出尺寸更精確、形狀更復(fù)雜的制品，無(wú)需機(jī)械加工或任何模具就可以快速地將數(shù)字模型變?yōu)閷?shí)物，從而縮短產(chǎn)品的研制周期，提高生產(chǎn)和研發(fā)效率[4–5]。

GH4169高溫合金增材制造過(guò)程中，由于熔池極高的溫度梯度而引起的快速凝固反應(yīng)使打印件在瞬時(shí)產(chǎn)生復(fù)雜的物理和化學(xué)變化，包括殘余應(yīng)力、元素的微觀偏析和部分非平衡相的形成等[6]。目前文獻(xiàn)報(bào)道主要集中在成形件組織分析和工藝參數(shù)的優(yōu)化選擇，Tucho等[7]研究了打印態(tài)GH4169高溫合金的組織形貌和偏析行為，發(fā)現(xiàn)SLM晶體結(jié)構(gòu)不是樹(shù)枝狀，而是柱狀–胞狀結(jié)構(gòu)，亞晶粒邊界上分布有析出相和位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)，認(rèn)為位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)的來(lái)源是激光掃描過(guò)程中反復(fù)加熱和急速冷卻所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力；Li等[8]認(rèn)為析出相δ對(duì)GH4169高溫合金的蠕變性質(zhì)和斷裂機(jī)制有重要影響，沿晶界析出的δ相對(duì)晶界有附著作用，可增強(qiáng)晶界，阻止晶界的滑動(dòng)，從而在一定程度上改善合金的蠕變性質(zhì)；Aydin?z等[9]對(duì)選區(qū)激光熔化GH4169高溫合金進(jìn)行熱處理后發(fā)現(xiàn)，Laves相被溶解，γ″相加速析出，且胞狀結(jié)構(gòu)在熱處理后外觀具有明顯的邊界特征。

從文獻(xiàn)報(bào)道來(lái)看，目前SLM打印GH4169合金的技術(shù)基本成熟，但粉末性能對(duì)制品的影響尤其是不同粒徑粉末制品的差異未見(jiàn)報(bào)道。事實(shí)上，粉末性能如粒度、形貌形態(tài)、氧含量等均會(huì)影響制品性能。因此選取兩種粒度差異明顯的GH4169粉末進(jìn)行了SLM打印，并對(duì)比研究粉末粒度對(duì)樣品的力學(xué)性能、微觀組織影響規(guī)律，將有助于為GH4169高溫合金增材制造用粉末的選取提供依據(jù)，同時(shí)對(duì)不同應(yīng)用要求的成形件采用合適性能的粉末具有一定的參考意義。

試驗(yàn)方法

原料為霧化室自制GH4169高溫合金粉末，篩分得到粒度為（– 45+15）μm和（– 63+30）μm兩批粉末；采用iCAP 7000型等離子發(fā)射光譜儀進(jìn)行元素分析，根據(jù)ISO–4490（2014）標(biāo)準(zhǔn)，采用BT–200型霍爾流速計(jì)測(cè)量粉末流動(dòng)性和松裝密度。采用Renishaw AM400型選區(qū)激光熔化金屬增材制造系統(tǒng)打印成形，樣品尺寸為15mm×15mm×70mm；熱處理制度為均勻化（1080℃/1h/空冷）+雙時(shí)效（720℃/8h/爐冷，620℃/8h/空冷），將未熱處理的沉積態(tài)樣品作對(duì)比試驗(yàn)。

對(duì)沉積態(tài)和熱處理態(tài)試樣取樣，取樣方向?yàn)槌练e方向和激光掃描方向（垂直于沉積方向），用阿基米德排水法測(cè)試密度。在德國(guó)Leica DM 400型金相顯微鏡 （Opticalmicroscopy，OM）下觀察金相組織，在Quanta 250 FEG型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）下觀察顯微組織和斷口形貌。兩組合金樣品加工成標(biāo)準(zhǔn)圓棒狀拉伸試樣（沿激光掃描方向），如圖1所示，標(biāo)定距離25mm。室溫拉伸試驗(yàn)在INSTRON 3369型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸位移加載速率為1mm/min。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)圓棒狀拉伸試樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of standard round bar tensile specimen

結(jié)果與討論

1 粉末表征

表1中所列為兩種粒度粉末元素分析結(jié)果，粒度細(xì)的粉末的氧含量要高于粒度粗的粉末，因粉末的氧含量主要存在于粉末的表面，細(xì)小的粉末比表面積大，是氧含量相對(duì)較高的原因。表2中所列為兩種粉末的流動(dòng)性及松裝密度測(cè)試結(jié)果，可以看出粒度粗的粉末的流動(dòng)性和松裝密度均高于粒度細(xì)的粉末。

表1 GH4169高溫合金粉末元素成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 GH4169 high-temperature alloy powder composition elements (mass fraction) %

表2 GH4169高溫合金粉末物理性質(zhì)Table 2 Physical properties of GH4169 high-temperature alloy powder

圖2（a）和（b）所示為兩種粒度粉末的SEM形貌，形貌特征基本相同，粉末呈球形或近球形，較大粉末表面粘附有小粒徑的粉，形成衛(wèi)星粉結(jié)構(gòu)，還有少量呈棒狀和啞鈴狀的粉末；圖2（c）和（d）所示為粉末局部SEM圖，可以觀察到粉末表面顯微形貌為典型的樹(shù)枝晶組織，這與氣霧化過(guò)程中金屬熔滴的快速冷凝有關(guān)[10]。

圖3為 （– 45+15）μm和（– 63+30）μm粉末截面OM圖，兩種粉末中均存在一定比例的空心粉（如箭頭所示），而且粗粉的空心粉比例明顯要高一些。空心粉是氣霧化粉末存在的一個(gè)粉末缺陷，在氬氣霧化粉末中普遍存在，對(duì)增材制造制品的致密性產(chǎn)生一定的不利影響。

2 拉伸力學(xué)性能分析

表3中所列為GH4169高溫合金的密度及致密度。合金的理論密度為8.24g/cm3，沉積態(tài)樣品致密度分別為98.66%和99.02%，而且粗粉試樣致密度高于細(xì)粉，因粗粉具有更好的流動(dòng)性和更高的松裝密度，SLM時(shí)鋪粉層獲得更高的密度，同時(shí)粗粉的粉末界面減少，這些因素均有利于粉末完全熔化和致密化的提高[11]。熱處理后樣品的密度進(jìn)一步提高，達(dá)到99.39%左右，在熱處理時(shí)合金發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶，回復(fù)階段減少點(diǎn)缺陷數(shù)目，再結(jié)晶階段降低位錯(cuò)密度[12]，導(dǎo)致密度提高。

表4為兩組樣品沉積態(tài)和熱處理態(tài)室溫拉伸測(cè)試結(jié)果，試樣拉伸強(qiáng)度均高于鑄件標(biāo)準(zhǔn)，選區(qū)激光熔化成形樣品相比于鑄造成形樣品具有更細(xì)密的亞結(jié)構(gòu)枝晶組織，沒(méi)有鑄件內(nèi)明顯的疏松缺陷；同時(shí)快速凝固減少晶界碳化物形成,減小裂紋萌生率[12]。

兩組拉伸試驗(yàn)結(jié)果顯示同種樣品差別均較小，表現(xiàn)的規(guī)律也基本相同。沉積態(tài)不同粒度樣品屈服強(qiáng)度Rp0.2和抗拉強(qiáng)度Rm接近，且粗粒度粉末的斷后伸長(zhǎng)率A明顯要高一些；經(jīng)過(guò)熱處理后屈服強(qiáng)度Rp0.2和抗拉強(qiáng)度Rm均得到了較大的提高，分別在1000MPa和1330MPa以上，而且細(xì)粒度粉末的拉伸強(qiáng)度要高于粗粒度粉末，斷后伸長(zhǎng)率A均降低，但粗粒度粉末仍高于細(xì)粒度粉末。上述力學(xué)性能分析表明，粉末的粒度對(duì)SLM成形件的性能有一定的影響，粉末粒度細(xì)小時(shí)可以適當(dāng)提高熱處理態(tài)的屈服強(qiáng)度Rp0.2和抗拉強(qiáng)度Rm，因熱處理后細(xì)粒度粉末樣品析出的強(qiáng)化相多沿晶界分布，拉伸過(guò)程中對(duì)位錯(cuò)移動(dòng)有更強(qiáng)的釘扎作用，位錯(cuò)繞過(guò)需更強(qiáng)的拉應(yīng)力；而粗粒度的粉末可以得到更高的斷后伸長(zhǎng)率A，兩組粗粒度樣品沉積態(tài)、熱處理態(tài)伸長(zhǎng)率A均值分別為22%和17.3%，略高于兩組細(xì)粒度樣品的17.9%和14.1%。粗粉沉積態(tài)樣品中的原始顆粒界面比細(xì)粉少，而且沉積件的密度也要高于細(xì)粉，有利于提高延伸率。

圖4所示為沉積態(tài)及熱處理態(tài)試樣拉伸斷口SEM圖，拉伸斷口均存在明顯的韌窩，韌窩大小不均勻且無(wú)方向性排列，韌窩間分布著亮白色帶狀的撕裂棱，發(fā)生了塑性變形，斷裂方式為韌性沿晶斷裂。沉積態(tài)斷口韌窩細(xì)小致密，熱處理態(tài)樣品韌窩尺寸變大，白色撕裂棱更明顯，大韌窩附近分布有小韌窩；對(duì)比兩種樣品的斷口，沉積態(tài)的樣品斷口特征一致，沒(méi)有明顯區(qū)別，粗粉熱處理態(tài)試樣斷口韌窩較細(xì)粉深，撕裂棱更明顯，也表明該試樣塑性更好一些，與其斷后伸長(zhǎng)率更高的結(jié)果一致。

圖2 氣霧化GH4169高溫合金粉末的SEM圖Fig.2 SEM morphology of atomized GH4169 high-temperature alloy powder

圖3 GH4169高溫合金粉末截面OM圖Fig.3 OM morphology of atomized GH4169 powder

表3 GH4169高溫合金的密度及致密度Table 3 Density and densification of GH4169 high-temperature alloys

表4 GH4169高溫合金的室溫拉伸性能Table 4 Room temperature tensile properties of GH4169 alloy

圖4 GH4169高溫合金的拉伸斷口SEM形貌Fig.4 SEM morphology of tensile fracture of GH4169 alloy

3 沉積態(tài)組織分析

圖5是沉積態(tài)樣品不同方向腐蝕后的OM圖，其中圖5（a）和（b）為平行于沉積方向的熔池形貌，觀察到魚(yú)鱗狀的熔池及其邊界，有明顯方向性，為SLM成形件的基本特征[13]；同時(shí)均有不規(guī)則的熔池出現(xiàn)，且細(xì)粉沉積態(tài)不規(guī)則熔池多于粗粉，可能是細(xì)粉松裝密度和流動(dòng)性均小于粗粉，對(duì)激光熱量的吸收存在差異導(dǎo)致熔池的完整性和與已成形層界面潤(rùn)濕性不同，產(chǎn)生熔池形態(tài)完整性的差異。圖5（c）和（d）為垂直于沉積方向樣品OM圖，激光作用在此面上，可清晰觀察到激光掃描形成熔池的軌跡，掃描方式為層間呈67°掃描。粗粉沉積態(tài)軌跡相較細(xì)粉更規(guī)則且連續(xù)，也說(shuō)明粗粉沉積態(tài)可以呈現(xiàn)出更多規(guī)則的熔池。

圖6為沉積態(tài)樣品不同方向的SEM圖，其中圖6（a）和（b）所示為沉積方向SEM圖，細(xì)長(zhǎng)的柱狀枝晶沿沉積方向生長(zhǎng)（如箭頭方向），粉末重熔后的冷凝階段，極高的溫度梯度沿著沉積方向形成，晶粒優(yōu)先沿該方向生長(zhǎng)為柱狀晶[13]。圖6（a）中柱狀晶的生長(zhǎng)貫穿多個(gè)熔池，說(shuō)明柱狀晶生長(zhǎng)在熔池間有連續(xù)性，熔池的凝固從熔池界面處開(kāi)始，并繼承已凝固熔池的組織特征，表現(xiàn)出熔池間的組織遺傳特征。圖6（c）和（d）所示為垂直于沉積方向SEM圖，熔池內(nèi)部均是原生胞狀組織，為緊密分布的蜂窩胞狀形態(tài)，每個(gè)晶胞對(duì)應(yīng)在沉積方向上的柱狀晶，與文獻(xiàn)[10]報(bào)道的SLM熔池凝固過(guò)程中晶粒的形核長(zhǎng)大模式為胞狀–樹(shù)枝狀結(jié)合生長(zhǎng)相一致。兩種胞狀組織形態(tài)稍有不同，粗粉試樣胞狀組織的均勻性不如細(xì)粉，可能與粉末粒度影響熔池的凝固溫度有關(guān)。綜上，粉末粒度對(duì)沉積態(tài)微觀組織影響不大。

4 熱處理態(tài)組織分析

圖7為SLM試樣熱處理態(tài)不同方向腐蝕后的OM圖，可見(jiàn)樣品經(jīng)熱處理后，兩個(gè)方向的組織均轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶。經(jīng)過(guò)熱處理，SLM過(guò)程中產(chǎn)生的殘余熱應(yīng)力被釋放，同時(shí)發(fā)生再結(jié)晶，熔池形態(tài)消失形成新的等軸晶，晶界清晰可見(jiàn)，改善沉積態(tài)的各向異性[14]。圖8為熱處理態(tài)的SEM圖，可見(jiàn)均存在沿晶界分布的析出相，尺寸在0.5～2μm之間。圖9為圖8（b）面掃結(jié)果，表明該相富含Nb元素，與GH4169高溫合金中的δ相（Ni3Nb）的高鈮含量一致，δ相沿晶界析出，與文獻(xiàn)[15]的結(jié)果一致；再結(jié)晶導(dǎo)致的晶粒明顯細(xì)化，伴隨著強(qiáng)化相γ″和γ′相從基體中充分析出，極大改善沉積態(tài)的力學(xué)性能，這是熱處理態(tài)屈服強(qiáng)度Rp0.2和抗拉強(qiáng)度Rm提高的主要原因。

結(jié)論

（1）粗粉末沉積態(tài)樣品密度比細(xì)粉末的大，粗粉流動(dòng)性和松裝密度均高于細(xì)粉，這有利于沉積態(tài)密度的提高。細(xì)粉可適當(dāng)提高熱處理態(tài)試樣的屈服強(qiáng)度Rp0.2和抗拉強(qiáng)度Rm，粗粉可以得到更高的斷后伸長(zhǎng)率A。

（2）沉積態(tài)試樣均呈現(xiàn)魚(yú)鱗狀的熔池形態(tài)，細(xì)粉試樣中不規(guī)則熔池多于粗粉試樣；熔池的凝固從熔池界面處開(kāi)始，并繼承已凝固熔池的組織特征，呈現(xiàn)組織遺傳現(xiàn)象；熔池凝固過(guò)程中晶粒的形核長(zhǎng)大模式為胞狀–樹(shù)枝狀結(jié)合生長(zhǎng)，粒度對(duì)試樣的組織結(jié)構(gòu)無(wú)明顯的影響。

（3）熱處理態(tài)的組織均變成等軸晶，降低沉積態(tài)的組織缺陷，析出強(qiáng)化相，是屈服強(qiáng)度Rp0.2和抗拉強(qiáng)度Rm提高的原因。

圖5 GH4169高溫合金沉積態(tài)不同方向樣品的OM形貌Fig.5 OM morphology of as-deposited samples of GH4169 alloy in different directions

圖6 GH4169高溫合金沉積態(tài)不同方向樣品的SEM形貌Fig.6 SEM morphology of as-deposited samples of GH4169 alloy in different directions

圖7 GH4169高溫合金熱處理態(tài)不同方向樣品的OM形貌Fig.7 OM morphology of heat-treated samples of GH4169 alloy in different directions

圖8 GH4169高溫合金熱處理態(tài)組織SEM圖Fig.8 SEM morphology of heat-treated samples of GH4169 high-temperature alloy

圖9 圖8（b）所示區(qū)域面掃分析結(jié)果Fig.9 Results of area scanning analysis shown in Fig.8(b)