宋 濤 ,李 靜 ,王志武 ,張一可

(1.湖北大學(xué)知行學(xué)院機(jī)械與自動(dòng)化學(xué)院,武漢 430011;2.武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院,武漢 430072)

Inconel 718合金是一種鎳基高強(qiáng)合金,具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能、耐腐蝕性能和良好的抗高溫氧化性能,被廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)、燃?xì)廨啓C(jī)和核反應(yīng)堆等領(lǐng)域[1-2]。傳統(tǒng)的減材加工制造工藝會造成原材料的浪費(fèi),對于復(fù)雜型面,其加工難度極大。增材制造是一種先進(jìn)的綠色制造技術(shù),通過智能控制提高復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的生產(chǎn)能力,降低生產(chǎn)成本,是新一輪產(chǎn)業(yè)變革的重點(diǎn)發(fā)展方向[3-4]。激光選區(qū)熔化(SLM)技術(shù)是一種比較成熟的增材制造方法。該技術(shù)利用激光逐層熔化金屬粉末,使材料成形,成品具有很高的表面尺寸精度和表面質(zhì)量,是一種能夠?qū)崿F(xiàn)無余量加工的制造技術(shù)[5-6]。Inconel 718合金常服役于高溫環(huán)境中,采用增材制造技術(shù)制備的Inconel 718合金的抗高溫氧化性能是理論研究的關(guān)鍵和工程應(yīng)用的重點(diǎn)。KANG 等[7]研究了后續(xù)熱處理對增材制造技術(shù)制備的Inconel 718合金抗高溫氧化性能的影響。結(jié)果表明,經(jīng)熱等靜壓處理后,Inconel 718合金的抗氧化性能顯著提高。SUJAN等[8]研究了電弧增材制造技術(shù)制備的Inconel 718合金的抗高溫氧化性能。結(jié)果表明,熱處理前后Inconel 718合金的氧化質(zhì)量增加曲線均符合拋物線規(guī)律,且其表面形成了具有保護(hù)性的Cr2O3氧化膜。GREENE 等[9]、LUO 等[10]和NNAJI等[11]也都進(jìn)行了Inconel 718合金抗高溫氧化性能的相關(guān)研究。但是,關(guān)于增材制造技術(shù)和傳統(tǒng)工藝制備的Inconel 718合金的抗高溫氧化性能對比研究較少。LUO 等[12]對比研究了經(jīng)鑄造、鍛造和增材制造技術(shù)制備的Inconel 718合金的抗高溫氧化性能。結(jié)果表明,增材制造制備的Inconel 718合金的抗高溫氧化性能更好。

本工作對比研究了高溫氧化不同時(shí)間后,傳統(tǒng)工藝和SLM 技術(shù)制備的Inconel 718合金表面氧化物的微觀形貌和成分,并分析了兩種合金的抗高溫氧化性能,以期為提升Inconel 718合金的使用性能提供重要的理論指導(dǎo)和實(shí)際應(yīng)用參考。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為傳統(tǒng)工藝制備的Inconel 718合金(記為原始試樣),傳統(tǒng)工藝為100℃固溶處理1 h后水冷→時(shí)效處理(720℃保溫8 h后,隨爐冷卻至620℃,保溫8 h,空冷至室溫)。采用SLM 技術(shù)制備的Inconel 718合金(記為SLM 試樣)。兩種合金試樣的尺寸均為10 mm×10 mm×10 mm,其化學(xué)成分見表1。SLM 試樣采用EOS M290型3D 打印機(jī)在氬氣氛圍下制備,激光器功率為285 W,掃描速率為960 mm/s,掃描間距為0.13 mm,鋪粉厚度為0.04 mm。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of test materials%

采用砂紙將兩種試樣進(jìn)行打磨后,置于650℃高溫空氣氧化爐中分別氧化1,2,4,8 h,然后取出試樣進(jìn)行空氣冷卻。采用FESEM-MIRA 3型場發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察試樣表面氧化膜的微觀形貌,采用掃描電鏡附帶的EDS-Aztec Energy型能譜儀(EDS)分析氧化膜的成分。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化膜微觀形貌

由圖1 可見:650℃下氧化不同時(shí)間后,SLM試樣表面存在片狀(針狀)和塊狀(顆粒狀)氧化物,塊狀氧化物有向針狀發(fā)展的趨勢;氧化1 h后,SLM試樣表面有少量片狀和塊狀氧化物生成;氧化2 h后,SLM 試樣表面片狀氧化物增多,分布更加密集,塊狀氧化物表面附著少量顆粒狀氧化物;氧化4 h后,SLM 試樣表面出現(xiàn)了團(tuán)簇的片狀氧化物,塊狀氧化物表面向外生成一些管狀氧化物;氧化8 h后,SLM 試樣表面團(tuán)簇狀氧化物上生成了新的片狀氧化物,塊狀氧化物表面生成了片狀(針狀)氧化物。

圖1 高溫空氣氧化不同時(shí)間后SLM 試樣表面氧化物的SEM 形貌Fig.1 SEM morphology of oxides on the surface of SLM samples after high temperature air oxidation for different periods of time: (a)1 h,flake oxide;(b)1 h,bulk oxide;(c)2 h,flake oxide;(d)2 h,bulk oxide;(e)4 h,flake oxide;(f)4 h,bulk oxide;(g)8 h,flake oxide;(h)8 h,bulk oxide

由圖2可見:氧化不同時(shí)間后,原始試樣表面氧化物形貌和氧化膜生長趨勢與SLM 試樣的類似,氧化物呈片狀(針狀)和塊狀(顆粒狀);氧化1 h后,原始試樣表面有少量的片狀和塊狀氧化物生成;氧化2 h后,原始試樣表面片狀氧化物增多,分布更加密集,塊狀氧化物表面向外生成一些管狀氧化物;氧化4 h后,原始試樣表面出現(xiàn)了團(tuán)簇的片狀氧化物,塊狀氧化物表面管狀氧化物增多;氧化8 h后,原始試樣表面團(tuán)簇狀氧化物上生成了新的片狀氧化物,塊狀氧化物表面生成了片狀(針狀)氧化物。

圖2 高溫空氣氧化不同時(shí)間后原始試樣表面氧化物的SEM 形貌Fig.2 SEM morphology of oxides on the surface of original samples after high temperature air oxidation for different periods of time: (a)1 h,flake oxide;(b)1 h,bulk oxide;(c)2 h,flake oxide;(d)2 h,bulk oxide;(e)4 h,flake oxide;(f)4 h,bulk oxide;(g)8 h,flake oxide;(h)8 h,bulk oxidee

綜上分析可知,氧化8 h后,SLM 試樣表面氧化膜的厚度要小于原始試樣的,表明SLM 試樣的抗氧化性能略優(yōu)于原始試樣的,由于氧化膜非常薄,未能直接測量出氧化膜厚度。另外,原始試樣表面塊狀氧化物上生成的筒狀氧化物的時(shí)間要早于SLM 試樣的。

2.2 氧化物成分

由表2和表3可知:原始試樣和SLM 試樣表面主要為鐵的氧化物,鐵原子分?jǐn)?shù)為20%～40%,鎳元素含量較低,原子分?jǐn)?shù)約為1%～4%,鉻原子分?jǐn)?shù)約為1%～9%;片狀氧化物中的氧含量要高于塊狀氧化物中的,塊狀氧化物的氧化過程中以金屬原子向外擴(kuò)散為主,片狀氧化物的氧化過程以氧元素向內(nèi)擴(kuò)散為主[13-15];SLM 試樣表面片狀氧化物中的氧含量為54%～60%(原子分?jǐn)?shù)),其塊狀氧化物和原始試樣表面兩種形態(tài)的氧化物中的氧含量均呈下降趨勢,這表明隨著氧化時(shí)間的延長,氧化物向穩(wěn)定的Me2O3氧化物發(fā)展。

表2 高溫空氣氧化不同時(shí)間后SLM 試樣表面氧化物的EDS分析結(jié)果Tab.2 EDS analysis results of oxides on the surface of SLM samples after high temperature air oxidation for different periods of time

表3 高溫空氣氧化不同時(shí)間后原始試樣表面氧化物的EDS分析結(jié)果Tab.3 EDS analysis results of oxides on the surface of original samples after high temperature air oxidation for different periods of time

一般情況下,Inconel 718合金是一種Ni-Cr-Al基時(shí)效強(qiáng)化型鎳基合金,即其表面形成保護(hù)性Cr2O3氧化物,內(nèi)部形成Al2O3氧化物。在氧化初期,O2含量較充足,在金屬表面快速形成氧化核心區(qū),Inconel 718合金中鉻含量較高(質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為20%),使得金屬元素能夠快速與O2發(fā)生反應(yīng),生成Cr2O3氧化物,Cr2O3可以阻隔O2向金屬內(nèi)部擴(kuò)散和鉻元素向外擴(kuò)散,在金屬表面形成保護(hù)性氧化膜,金屬內(nèi)部氧含量快速降低,其他金屬元素氧化受到限制。由埃林厄姆-理查德森圖可知,在高溫下,Al2O3(1.013 25×1029Pa,-836.8 kJ·mol-1)(1.013 25×1017Pa,-523 kJ·mol-1)的容易很多,隨著氧化時(shí)間的延長,Al2O3氧化物可以在的形成比Cr2O3Cr2O3氧化膜下繼續(xù)生成[8-9,11]。

由圖3和圖4可知:650℃氧化1 h后,SLM 試樣和原始試樣表面氧化膜的面掃描結(jié)果基本相同片狀氧化物中的鐵元素含量相對較低,塊狀氧化物和基體中的鐵元素分布較均勻;氧元素主要分布在氧化膜中,基體中的氧含量很低;片狀氧化物中的鉻元素含量較高,塊狀氧化物中的鉻元素含量較低;片狀氧化物中的鎳元素含量較低,基體和塊狀氧化物中的鎳元素分布較為均勻,這與EDS 分析結(jié)果相一致,表明片狀氧化物中的合金元素向外擴(kuò)散,發(fā)生氧化,塊狀氧化物中的氧元素向內(nèi)擴(kuò)散,發(fā)生氧化。

圖3 650℃氧化1 h后SLM 試樣的面掃結(jié)果Fig.3 Surface scan results of SLM samples oxidized at 650℃for 1 h: (a)surface scan location;(b)Fe;(c)O;(d)Cr;(e)Ni

圖4 650℃氧化1 h后原始試樣的面掃結(jié)果Fig.4 Surface scan results of original samples oxidized at 650℃for 1 h: (a)surface scan location;(b)Fe;(c)O;(d)Cr;(e)Ni

從熱力學(xué)角度分析,吉布斯自由能變化越小,氧分壓越低,越容易被氧化,根據(jù)XU 等[14]的計(jì)算結(jié)果可知,鉻比鐵更容易被氧化,在基體中,鉻元素的擴(kuò)散也比鐵元素容易,這與EDS分析結(jié)果(氧化物中鉻元素含量較高)相一致。

3 結(jié)論

(1) 采用SLM 技術(shù)和傳統(tǒng)工藝制備的Inconel 718合金在650℃下分別氧化1,2,4,8 h后,兩種試樣表面都出現(xiàn)了片狀和塊狀氧化物,兩種氧化物的生長規(guī)律大致相同,SLM 技術(shù)制備的Inconel 718合金的抗氧化性能略優(yōu)于傳統(tǒng)工藝制備的Inconel 718合金的。

(2) 經(jīng)高溫氧化后SLM 技術(shù)制備的Inconel 718合金和傳統(tǒng)工藝制備的Inconel 718 合金表面片狀氧化物主要由氧元素向基體內(nèi)部擴(kuò)散發(fā)生氧化形成,塊狀氧化物主要由合金元素向外擴(kuò)散發(fā)生氧化形成。

(3) 高溫氧化不同時(shí)間后,SLM 技術(shù)和傳統(tǒng)工藝制備的Inconel 718合金表面氧化膜的主要成分為鐵的氧化物,隨著氧化時(shí)間的延長,氧化物類型逐漸趨向于Me2O3氧化物。