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        選區(qū)激光熔化成形GH3230合金組織及性能研究

        2021-12-26 06:08:26李芳婷李向東嚴(yán)學(xué)波王愷婷李春波蒲超博張?jiān)刺?/span>趙曉鵬
        中國(guó)金屬通報(bào) 2021年16期
        關(guān)鍵詞:中微碳化物熔池

        李芳婷*,李向東,嚴(yán)學(xué)波,王愷婷,李春波, 蒲超博, 張?jiān)刺?,趙曉鵬

        (寶鈦集團(tuán)有限公司,陜西 寶雞 721014)

        GH3230合金成分類似Haynes230合金[1],是一種以W、Mo元素作為固溶強(qiáng)化和以碳化物作為第二相強(qiáng)化的鎳基高溫合金[2]。GH3230合金固溶時(shí)效析出相主要為M23C6,不易產(chǎn)生μ、σ、Laves相、Ni3Cd等高溫脆性相。相比于已經(jīng)廣泛使用的高溫燃燒室材料(如:GH3536合金)[3],GH3230具有更好的熱穩(wěn)定性和熱疲勞性能,同時(shí)有望在950℃短時(shí)使用?,F(xiàn)有的GH3230合金加工方法主要集中在焊接和鍛造等傳統(tǒng)制造工藝[4,5],但由于其成品率低、生產(chǎn)加工周期長(zhǎng)等缺點(diǎn),一直以來制約著我國(guó)航空航天裝備的快速迭代升級(jí)。近年來,隨著選區(qū)激光熔化(SLM)技術(shù)的快速發(fā)展,對(duì)航空航天用零件,無需專用模具、可定制化、生產(chǎn)周期短、一體化零件成形提供了新途徑。

        1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

        本實(shí)驗(yàn)使用的原料為超高速等離子旋轉(zhuǎn)電極(SS-PREP)霧化法制備的SS-PREP?GH3230合金粉末,粉末粒徑為15-53 μm,合金元素成分如表1所示。表2為SS-PREP?GH3230合金粉末粒徑及粉末物理性能,由表1可知,SS-PREP?GH3230合金粉末粒度區(qū)間窄,且粉末的平均粒徑為44.96μm。

        表1 SS-PREP?GH3230合金粉末成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))

        表2 SS-PREP?GH3230合金粉末粒徑及物理性能

        SLM成形層厚設(shè)置為0.04 mm。SLM成形參數(shù)規(guī)劃如表3所示。成形試樣尺寸10 mm×10 mm×10 mm,垂直成形方向的力學(xué)試樣尺寸為73mm×φ12mm,部分成形試樣每組參數(shù)分別取兩個(gè)金相試樣觀察組織,取三組力學(xué)試樣分別進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試,成形結(jié)束后,選取最佳成形參數(shù)的試樣分別進(jìn)行熱等靜壓和熱處理,其中熱等靜壓制度為:1170 ℃保溫3 h,壓力150 MPa;熱處理制度為:1180 ℃保溫2 h。

        表3 SLM成形工藝參數(shù)

        2 分析與討論

        2.1 合金組織缺陷分析

        將表3所示SLM工藝參數(shù)進(jìn)行成形,每組參數(shù)下,試樣組織均存在微裂紋,結(jié)合金相顯微組織,統(tǒng)計(jì)組織中微裂紋長(zhǎng)度,當(dāng)功率為210 W,掃描速度為1150 mm/s時(shí),能量密度為49.72 J/mm3,合金組織中微裂紋平均長(zhǎng)度約為82.23 μm,當(dāng)掃描速度為1050 mm/s,激光功率為230 W,能量密度為49.78 J/mm3時(shí),合金組織中微裂紋平均長(zhǎng)度約為67.89 μm;合金組織中微裂紋平均長(zhǎng)度最小為23.31 μm。

        當(dāng)SLM工藝參數(shù)的體能量密度接近相等時(shí),其組織中的致密度、微裂紋長(zhǎng)度、缺陷種類呈現(xiàn)不相同的特征。1#試樣體能量密度為49.72 J/mm3,6#試樣體能量密度為49.78 J/mm3;1#試樣致密度為98.67%,微裂紋平均長(zhǎng)度約為23.31 μm,缺陷類型主要為未熔合和微裂紋;6#試樣致密度為98.83%,微裂紋平均長(zhǎng)度約為67.89 μm,缺陷類型主要為微裂紋。其原因主要是,激光功率與掃描速度對(duì)粉末床能量輸入的形式和強(qiáng)度存在差異,激光功率直接照射在球形粉末床上,通過激光在顆粒表面產(chǎn)生多次吸收和反射作用[6],粉末床上的金屬球形粉末發(fā)生熔化。掃描速度決定著激光束在單道熔池單位上的停留時(shí)間,停滯時(shí)間長(zhǎng)短決定著激光能量的輸入大小。另外,掃描速度對(duì)熔池的軌跡寬度、重熔深度、接觸角也有影響[7,8]。

        圖1(a)為試樣中微裂紋的分布形貌,(b)為EDS點(diǎn)掃描位置;表4為EDS元素分布結(jié)果,通過原子比計(jì)算可知,在微裂紋邊界處存在M6C型碳化物。選區(qū)激光熔化成形過程中,熔池會(huì)存在快速熔化-快速凝固的過程,且冷卻速率可達(dá)106 K/s,沉積態(tài)組織中微裂紋的出現(xiàn),主要是熔池在快速熔化-快速冷卻循環(huán)熱處理過程中發(fā)生元素偏析所致。

        表 4 2#合金組織微裂紋EDS分析

        圖4 2#合金組織微裂紋形貌

        2.2 組織致密化研究

        對(duì)鎳基合金進(jìn)行選區(qū)激光熔化時(shí),其組織有開裂傾向。GH3230合金沉積態(tài)組織,最佳參數(shù)下,其組織中仍然存在長(zhǎng)度約41.13 μm,且微裂紋主要沿組織中晶界開裂。熱等靜壓可以使沉積態(tài)組織中存在的應(yīng)力集中減小,殘余應(yīng)力釋放,在高溫、高壓過程中,閉合沉積態(tài)組織中存在的微裂紋和孔洞缺陷,且同時(shí)促進(jìn)組織發(fā)生再結(jié)晶。因此對(duì)于2#參數(shù)對(duì)應(yīng)的沉積態(tài)試樣進(jìn)行熱等靜壓處理,在150 MPa,1170 ℃保溫3 h,以閉合沉積態(tài)組織中的微裂紋,提高合金綜合力學(xué)性能。圖5為經(jīng)過熱等靜壓和熱等靜壓+熱處理之后的組織,從圖5(a)可知,本實(shí)驗(yàn)采用的熱等靜壓制度,可以使沉積態(tài)組織中的微裂紋閉合,且同時(shí)沿晶界及晶內(nèi)析出碳化物。

        圖5 沉積態(tài)及熱等靜壓態(tài)組織

        3 結(jié)論

        (1) 實(shí)驗(yàn)所采用的激光功率210 W,掃描速度1050 mm/s,可使組織中微裂紋尺寸最小,且為41.13 μm,致密度可達(dá)99.95%,另一方面,在體能量密度相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)上,激光功率和掃描速度,對(duì)于熔池的能量輸入不一致,所造成的缺陷類型存在差異。

        (2) SLM成形過程中熔池經(jīng)快速熔化-快速凝固的熱循環(huán)過程,組織產(chǎn)生微裂紋,且裂紋處存在M6C型碳化物偏析。

        (3) 熱等靜壓可以使沉積態(tài)組織中的微裂紋閉合,且沿晶界及晶內(nèi)析出碳化物;經(jīng)過熱等靜壓+熱處理,合金組織中平均晶粒尺寸粗化變大,約為40.18 μm,增長(zhǎng)16.50%,沿晶界分布的碳化物尺寸約為3.14 μm,增長(zhǎng)12.7%。合金室溫屈服強(qiáng)度下降26.29%,延伸率增大21.05%。

        (4) 合金室溫拉伸斷口呈韌窩狀的韌性斷口特征,斷裂界面裂紋沿韌窩邊界薄弱的晶界界面進(jìn)行擴(kuò)展,韌窩中心存在約3 μm的γ相,相比于熱等靜壓態(tài)組織晶界碳化物尺寸,熱處理態(tài)組織,熔池邊界的碳化物尺寸粗化變大,該區(qū)域抵抗裂紋擴(kuò)展的能力變?nèi)酰菀仔纬闪鸭y擴(kuò)展的薄弱區(qū)域。

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