熱等靜壓對激光選區(qū)熔化制備高溫合金的影響
發(fā)布時間：2021-02-01 08:43
采用一種氬氣霧化制得的新型鎳基高溫合金粉末,通過激光選區(qū)熔化（SLM）方法制備樣品,其中激光功率為315 W,掃描速率為750 mm·s-1,用掃描電鏡分析其橫截面及縱截面組織特征;然后進行1 200℃/150 MPa/4 h的熱等靜壓處理,隨后進行固溶及時效處理,分別在650和850℃下進行拉伸試驗,并分析組織及斷口微觀形貌;探討熱等靜壓和熱處理分別對組織及性能的影響。結果表明,該粉末SLM工藝成形性能好,裂紋及孔洞等缺陷少,HIP處理后SLM試樣內部的微裂紋得到修復,組織形貌發(fā)生改變,晶粒得到細化,且晶粒內部和晶界上析出較多MC相;HIP處理后合金高溫力學性能大幅提升,其中850℃下斷裂強度提升36%,達到912 MPa,伸長率提升125%,達到12.6%。該鎳基粉末高溫合金材料及"SLM+HIP"工藝有望應用于850℃下復雜形狀的關鍵承載部件。
【文章來源】：金屬功能材料. 2020,27(04)
【文章頁數】：6 頁
【部分圖文】：
粉末形貌(a)及粒徑分布(b)
SLM工藝中激光功率和掃描速率是最重要的兩個工藝參數[15-17]。當激光能量充足時,不僅粉末顆粒熔化,同時基體也發(fā)生熔化,有足夠的高溫液相形成連續(xù)的微熔池。如果激光功率低則粉末之間不能形成良好的焊合從而造成孔洞,激光功率過高則熔池溫度遠超過材料的熔點,在短時間內會發(fā)生氧化,同時熔池在高溫下沸騰,飛濺出細小的顆粒,凝固后在熔池附近造成夾雜物;掃描速率決定粉末升溫和冷卻的速率,速率過快或過慢都會由于熱應力過大形成裂紋。圖2(a)所示打印熔道輪廓清晰連續(xù),表面無過燒,也沒有明顯的球化顆粒,相鄰熔道之間形成了良好的冶金結合,表明打印工藝參數設置合理,該粉末成形性能優(yōu)異。圖2(b)顯示橫截面組織內無明顯孔洞,但有微裂紋存在,這是由于SLM是一個快速“熔化-凝固”的過程,熔體具有較高的溫度梯度與冷卻速度,這個過程積累了大量熱應力,而且激光為點能源,作用區(qū)域小,熔池內外的熱膨脹及收縮變形趨勢不一致,SLM打印時掃描路徑循環(huán)往復,對該區(qū)域會多次加熱及冷卻,反復作用下裂紋逐漸擴展,熱應力得以釋放。圖3為SLM樣品的縱截面,通過3(a)可以看出,熔池呈周期魚鱗狀結構,這是由于激光為點加熱源,作用區(qū)域較小,在快速掃描過程中,金屬粉末溫度迅速上升迅速冷卻,熔體的熱量呈發(fā)射狀向基板及周圍粉末散失,逐漸凝固結晶形成凹坑狀;重復線掃的過程在縱截面顯示出周期魚鱗狀的特征。
從圖3(a)還可以看出,在熔池的中心部位顯示出胞狀組織,在熔池的邊界顯示出柱狀晶粒,該晶粒的生長方向與熔池的邊界接近垂直;圖3(b)進一步放大圖顯示從熔池邊界到熔池內部,組織由垂直熔池邊界的柱狀晶逐漸演變?yōu)榘麪罹Я！蝹�熔池的熱量首先通過熔池邊界傳導給已凝固部分,進而形成了垂直于熔池邊界的結晶方向,故在熔池邊界處的形核可以認為是非均勻形核,已凝固部分為后續(xù)凝固的液態(tài)金屬提供了異質形核的基底,在這種條件下,生長速度較快的主軸,也即是垂直于熔池邊界的晶向才能優(yōu)先生長,而其他的晶向生長被抑制。距熔池邊界稍遠的部位,離傳熱界面較遠則形成胞狀晶粒,類似于鑄造過程中柱狀晶-等軸晶的轉變。圖3(c)中可以看出,在熔化道內形成許多取向各異的枝晶,這是因為熔體經歷快速冷卻,表面張力超過黏滯力,可以使熔體發(fā)生對流,由邊界生長至內部的柱狀晶容易被對流體破碎形成許多細小晶粒,在凝固過程中產生方向各異的枝晶。這種組織結構李瑞迪在不銹鋼316L的SLM成形中也有所發(fā)現[18]。2.2 熱等靜壓對SLM組織的影響
【參考文獻】：
期刊論文
[1]激光工藝參數對高硅鋁熔覆層組織及性能影響研究[J]. 李枘,周偉,華鵬,李先芬. 金屬功能材料. 2019(03)
[2]熱處理對等離子弧增材制造Inconel 718合金組織與性能的影響[J]. 呂耀輝,王凱博,劉玉欣,林建軍,徐濱士. 金屬功能材料. 2018(05)
[3]熱等靜壓工藝對SLM成形K4536合金組織與性能的影響[J]. 劉凱,王榮,祁海,楊啟云,李雅莉. 航空材料學報. 2018(03)
[4]工藝參數對激光選區(qū)熔化316L不銹鋼表面質量的影響[J]. 閆程程,楊立軍,代文豪,施蘭,李寧寧. 熱加工工藝. 2017(20)
[5]激光選區(qū)熔化Inconel 625合金開裂行為及抑制研究[J]. 張潔,李帥,魏青松,史玉升,王聯鳳,郭立杰. 稀有金屬. 2015(11)
[6]熱處理態(tài)激光立體成形Inconel 718高溫合金的組織及力學性能[J]. 宋衎,喻凱,林鑫,陳靜,楊海歐,黃衛(wèi)東. 金屬學報. 2015(08)
[7]金屬材料激光增材制造技術及在航空發(fā)動機上的應用[J]. 劉業(yè)勝,韓品連,胡壽豐,柴象海,曹源. 航空制造技術. 2014(10)
[8]粉末高溫合金研究進展[J]. 張義文,劉建濤. 中國材料進展. 2013(01)
[9]渦輪盤用高性能粉末高溫合金的優(yōu)化設計探討[J]. 胡本芙,田高峰,賈成廠,劉國權. 粉末冶金技術. 2009(04)
[10]激光快速成形Rene88DT高溫合金的熱等靜壓處理[J]. 趙曉明,林鑫,陳靜,黃衛(wèi)東. 中國有色金屬學報. 2008(08)
博士論文
[1]激光選區(qū)熔化成形鎳基高溫合金的組織與性能演變基礎研究[D]. 李帥.華中科技大學 2017
[2]金屬粉末選擇性激光熔化成形的關鍵基礎問題研究[D]. 李瑞迪.華中科技大學 2010
本文編號：3012508
【文章來源】：金屬功能材料. 2020,27(04)
【文章頁數】：6 頁
【部分圖文】：
粉末形貌(a)及粒徑分布(b)
SLM工藝中激光功率和掃描速率是最重要的兩個工藝參數[15-17]。當激光能量充足時,不僅粉末顆粒熔化,同時基體也發(fā)生熔化,有足夠的高溫液相形成連續(xù)的微熔池。如果激光功率低則粉末之間不能形成良好的焊合從而造成孔洞,激光功率過高則熔池溫度遠超過材料的熔點,在短時間內會發(fā)生氧化,同時熔池在高溫下沸騰,飛濺出細小的顆粒,凝固后在熔池附近造成夾雜物;掃描速率決定粉末升溫和冷卻的速率,速率過快或過慢都會由于熱應力過大形成裂紋。圖2(a)所示打印熔道輪廓清晰連續(xù),表面無過燒,也沒有明顯的球化顆粒,相鄰熔道之間形成了良好的冶金結合,表明打印工藝參數設置合理,該粉末成形性能優(yōu)異。圖2(b)顯示橫截面組織內無明顯孔洞,但有微裂紋存在,這是由于SLM是一個快速“熔化-凝固”的過程,熔體具有較高的溫度梯度與冷卻速度,這個過程積累了大量熱應力,而且激光為點能源,作用區(qū)域小,熔池內外的熱膨脹及收縮變形趨勢不一致,SLM打印時掃描路徑循環(huán)往復,對該區(qū)域會多次加熱及冷卻,反復作用下裂紋逐漸擴展,熱應力得以釋放。圖3為SLM樣品的縱截面,通過3(a)可以看出,熔池呈周期魚鱗狀結構,這是由于激光為點加熱源,作用區(qū)域較小,在快速掃描過程中,金屬粉末溫度迅速上升迅速冷卻,熔體的熱量呈發(fā)射狀向基板及周圍粉末散失,逐漸凝固結晶形成凹坑狀;重復線掃的過程在縱截面顯示出周期魚鱗狀的特征。
從圖3(a)還可以看出,在熔池的中心部位顯示出胞狀組織,在熔池的邊界顯示出柱狀晶粒,該晶粒的生長方向與熔池的邊界接近垂直;圖3(b)進一步放大圖顯示從熔池邊界到熔池內部,組織由垂直熔池邊界的柱狀晶逐漸演變?yōu)榘麪罹Я！蝹�熔池的熱量首先通過熔池邊界傳導給已凝固部分,進而形成了垂直于熔池邊界的結晶方向,故在熔池邊界處的形核可以認為是非均勻形核,已凝固部分為后續(xù)凝固的液態(tài)金屬提供了異質形核的基底,在這種條件下,生長速度較快的主軸,也即是垂直于熔池邊界的晶向才能優(yōu)先生長,而其他的晶向生長被抑制。距熔池邊界稍遠的部位,離傳熱界面較遠則形成胞狀晶粒,類似于鑄造過程中柱狀晶-等軸晶的轉變。圖3(c)中可以看出,在熔化道內形成許多取向各異的枝晶,這是因為熔體經歷快速冷卻,表面張力超過黏滯力,可以使熔體發(fā)生對流,由邊界生長至內部的柱狀晶容易被對流體破碎形成許多細小晶粒,在凝固過程中產生方向各異的枝晶。這種組織結構李瑞迪在不銹鋼316L的SLM成形中也有所發(fā)現[18]。2.2 熱等靜壓對SLM組織的影響
【參考文獻】：
期刊論文
[1]激光工藝參數對高硅鋁熔覆層組織及性能影響研究[J]. 李枘,周偉,華鵬,李先芬. 金屬功能材料. 2019(03)
[2]熱處理對等離子弧增材制造Inconel 718合金組織與性能的影響[J]. 呂耀輝,王凱博,劉玉欣,林建軍,徐濱士. 金屬功能材料. 2018(05)
[3]熱等靜壓工藝對SLM成形K4536合金組織與性能的影響[J]. 劉凱,王榮,祁海,楊啟云,李雅莉. 航空材料學報. 2018(03)
[4]工藝參數對激光選區(qū)熔化316L不銹鋼表面質量的影響[J]. 閆程程,楊立軍,代文豪,施蘭,李寧寧. 熱加工工藝. 2017(20)
[5]激光選區(qū)熔化Inconel 625合金開裂行為及抑制研究[J]. 張潔,李帥,魏青松,史玉升,王聯鳳,郭立杰. 稀有金屬. 2015(11)
[6]熱處理態(tài)激光立體成形Inconel 718高溫合金的組織及力學性能[J]. 宋衎,喻凱,林鑫,陳靜,楊海歐,黃衛(wèi)東. 金屬學報. 2015(08)
[7]金屬材料激光增材制造技術及在航空發(fā)動機上的應用[J]. 劉業(yè)勝,韓品連,胡壽豐,柴象海,曹源. 航空制造技術. 2014(10)
[8]粉末高溫合金研究進展[J]. 張義文,劉建濤. 中國材料進展. 2013(01)
[9]渦輪盤用高性能粉末高溫合金的優(yōu)化設計探討[J]. 胡本芙,田高峰,賈成廠,劉國權. 粉末冶金技術. 2009(04)
[10]激光快速成形Rene88DT高溫合金的熱等靜壓處理[J]. 趙曉明,林鑫,陳靜,黃衛(wèi)東. 中國有色金屬學報. 2008(08)
博士論文
[1]激光選區(qū)熔化成形鎳基高溫合金的組織與性能演變基礎研究[D]. 李帥.華中科技大學 2017
[2]金屬粉末選擇性激光熔化成形的關鍵基礎問題研究[D]. 李瑞迪.華中科技大學 2010
本文編號：3012508
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