【摘要】：激光增材制造是一種利用激光作為熱源,以粉末同步送進(jìn)或粉末床的形式實(shí)現(xiàn)零件快速近凈成形的新興制造工藝。由于激光增材制造是同成分的逐點(diǎn)成形,且熔池凝固速率快,不存在傳統(tǒng)的鑄造工藝中的宏觀偏析現(xiàn)象。因此,激光增材制造技術(shù)十分適用于GH4169等容易出現(xiàn)成分偏析鎳基高溫合金的成形。隨著我國(guó)航空科技的迅速發(fā)展,新一代飛行器必須滿足超高速、高空、長(zhǎng)航時(shí)、超遠(yuǎn)航程的需求,這也對(duì)作為發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵材料的GH4169合金加工技術(shù)、材料組織和力學(xué)性能提出了更高的要求。Nb元素作為一種重要的強(qiáng)化元素決定了GH4169合金的微結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能,通過(guò)研究Nb元素對(duì)激光增材制造GH4169合金微結(jié)構(gòu)的調(diào)控與力學(xué)性能的優(yōu)化,有利于拓寬激光增材制造在鎳基高溫合金零件成形與修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用。本文通過(guò)機(jī)械球磨的方式,提高了常規(guī)GH4169合金粉末中鈮(Nb)元素的含量,利用同軸送g尲す庠霾鬧圃旒際醭尚瘟司哂脅煌琋b含量的GH4169合金試樣,研究了Nb元素含量對(duì)激光增材制造GH4169合金顯微組織、微觀偏析、沉淀相變化的影響,并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了分析。主要得到如下研究結(jié)果:激光增材制造添加Nb元素后GH4169合金試樣的宏觀組織仍具有常規(guī)GH4169合金激光增材制造的特征,呈現(xiàn)為粗大的柱狀晶組織。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),隨著Nb含量的增加,柱狀晶的生長(zhǎng)方向由偏離激光束中心向上向外生長(zhǎng)變化為朝向激光束向上向內(nèi)生長(zhǎng)。在微觀組織方面,隨著合金中Nb元素含量的增加,枝晶結(jié)構(gòu)特征愈為明顯,枝晶二次臂越發(fā)達(dá),枝晶間共晶組織的數(shù)量逐漸增加,共晶形貌逐漸變得連續(xù)。其中,合金中Nb元素含量達(dá)到11.1 wt.%時(shí),枝晶間共晶組織的數(shù)量最多,形貌上變?yōu)檫B續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。隨著Nb添加量的增加,激光增材制造GH4169合金試樣枝晶干γ相中Nb含量均有所增加,枝晶間與枝晶干之間的Nb含量差別縮小。Nb元素的偏析比隨合金中Nb元素含量的增加由8.59下降至4.13。這表明有更多的Nb元素固溶到基體γ相中。XRD測(cè)試也顯示γ基體(200)面所對(duì)應(yīng)的2θ值大致呈減小趨勢(shì),這反映出Nb元素含量的增加。經(jīng)過(guò)直接時(shí)效(720℃×8 h/爐冷+620℃×8 h/空冷)熱處理后,枝晶間Laves相的形貌與數(shù)量無(wú)明顯變化,但是,隨著Nb含量的增多,直接時(shí)效態(tài)試樣枝晶間共晶組織局部區(qū)域δ相析出增多。激光增材制造常規(guī)GH4169合金經(jīng)直接時(shí)效處理后,在枝晶間共晶Laves相附近有大量γ?強(qiáng)化相,而枝晶干幾乎沒有強(qiáng)化相析出。隨著Nb含量的增多,枝晶干γ?強(qiáng)化相析出增多,枝晶干與枝晶間γ?強(qiáng)化相析出數(shù)量差別減小,這與高Nb含量GH4169合金中枝晶干Nb含量增多有關(guān)。合適的固溶處理能夠消除枝晶結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)激光增材制造不同Nb含量GH4169合金中合金元素的均勻化。固溶溫度越高,各成分試樣的枝晶結(jié)構(gòu)消除越明顯;在相同熱處理狀態(tài)下,固溶態(tài)試樣中保留的Laves相隨合金中Nb含量的增加而增多。當(dāng)Nb含量較少時(shí)可選擇1100℃作為固溶處理的最低溫度,而當(dāng)含Nb量超過(guò)7.0 wt%時(shí),可以適當(dāng)提高固溶溫度以消除枝晶間Laves相,但應(yīng)該避免固溶溫度過(guò)高使得高Nb含量GH4169合金發(fā)生局部重熔。因而,可以考慮在1150℃溫度下進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間的固溶處理以盡可能地消除枝晶間Laves相,實(shí)現(xiàn)合金元素的均勻化。激光增材制造常規(guī)GH4169合金沉積態(tài)顯微硬度平均值為228.4 HV,隨著Nb含量的增加,沉積態(tài)顯微硬度值逐漸升高,當(dāng)Nb含量為11.1 wt%時(shí),顯微硬度達(dá)到534.1 HV;固溶態(tài)試樣的硬度值隨固溶溫度的升高而降低,在相同固溶溫度下,不同Nb含量GH4169合金試樣的硬度值隨Nb含量的增加而升高。經(jīng)過(guò)直接時(shí)效處理后,直接時(shí)效態(tài)試樣的顯微硬度值顯著高于沉積態(tài)試樣,最高為640.7HV。隨著Nb含量的增加,直接時(shí)效態(tài)試樣的顯微硬度升高趨勢(shì)變緩,沉積態(tài)試樣的硬度值與直接時(shí)效態(tài)的差距也逐漸減小。激光增材制造常規(guī)GH4169沉積態(tài)材料的抗拉強(qiáng)度為829 MPa,延伸率為41%。隨著合金中含Nb量的增多,激光增材制造沉積態(tài)材料的抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)出先升高后降低的規(guī)律,最高可達(dá)1009 MPa。而沉積態(tài)材料的延伸率隨Nb含量的增加而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。相比于沉積態(tài)試樣,直接時(shí)效處理后材料的抗拉強(qiáng)度均有提高,而延伸率有所降低。激光增材制造不同Nb含量GH4169合金直接時(shí)效態(tài)試樣的抗拉強(qiáng)度隨Nb含量的增加而呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。當(dāng)Nb含量為8.5wt%時(shí),材料的抗拉強(qiáng)度提高至最大,達(dá)到1393 MPa,延伸率降低至4%。沉積態(tài)試樣與直接時(shí)效態(tài)試樣斷口表面都隨Nb含量而逐漸平整,二次裂紋也逐漸增多、變深,逐漸呈現(xiàn)出明顯的脆性斷裂特征。
【學(xué)位授予單位】：南昌航空大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TG132.3;TG665;V261.8
【圖文】：

制造不同 Nb 含量 GH4169 合金性能測(cè)能熱處理態(tài)試樣進(jìn)行維氏顯微硬度測(cè)量。實(shí)驗(yàn)所用用的測(cè)量參數(shù)為：載荷 F=200 g，載荷保持時(shí)間能制造不同 Nb 含量 GH4169 合金沉積態(tài)與直接時(shí)，主要得到不同熱處理狀態(tài)下試樣的抗拉強(qiáng)度及的沉積態(tài)試樣為片狀拉伸試樣，厚度為 2 mm，時(shí)效態(tài)試樣采用棒狀拉伸試樣，尺寸如圖 2-1對(duì)失效斷裂試樣的斷口進(jìn)行分析，觀察斷口特征變化規(guī)律及斷裂機(jī)制。(a)

圖3-3 為兩種不同固液界面形成的熔池形貌示意圖。圖 3-3 激光增材制造過(guò)程中不同固液界面形成的熔池形貌示意圖(a)上凸形界面; (b)下凹形界面基于激光增材制造技術(shù)的特點(diǎn)，每道次成形后的熔覆層上部都為圖 3-3 中虛線所示的上凸形表面。當(dāng)成形第 1 層時(shí)，會(huì)將基材一部分熔化形成熔池。由于激光束的能量模型具有高斯分布的特征，熔池中間溫度高，兩邊溫度低，因此熔覆層中間部分要比兩邊部分重熔深度大，形成新的熔池如圖 3-1 中所示基板上熔池形狀。當(dāng)成形高度增加，對(duì)于單道多層成形而言，隨成形過(guò)程中熱量累積作用成形試樣寬度越來(lái)越大，當(dāng)熱輸入輸出達(dá)到平衡后試樣寬度基本保持不變。從圖 3-1所示來(lái)看，此平衡寬度大于實(shí)驗(yàn)中所用的激光光斑直徑尺寸，這說(shuō)明在成形過(guò)程中熔池液態(tài)金屬在各種力的作用下發(fā)生了鋪展。比較圖 3-3 中兩種不同熔池底部形貌，發(fā)現(xiàn)隨 Nb 元素含量的增加，激光增材制造過(guò)程中熔池深度增加，則需要更多的熱量來(lái)實(shí)現(xiàn)�？紤]到整個(gè)激光增材制造成形過(guò)程，所用激光功率及其他成形參數(shù)均相同，可以認(rèn)為造成此不同熔池形貌的原因?yàn)樘砑拥?Nb 元素含量不同。(a)n 熔覆層上部n+1 熔覆層(b)n+1 熔覆層n 熔覆層上部Q3固相Q1Q2(a)液相Q1′(b)固相Q3′Q2′液相

圖 3-4 激光增材制造不同 Nb 含量 GH4169 合金沉積態(tài)試樣枝晶間形貌(a)4.9%Nb; (b)5.5%Nb; (c)7.0%Nb; (d)8.5%Nb; (e)10.1%Nb; (f)11.1%Nb共晶組織的形貌主要取決于枝晶的發(fā)達(dá)程度，枝晶越發(fā)達(dá)則枝晶間的共晶組織量越多，分布連續(xù)性越好。圖 3-5 為激光增材制造不同 Nb 含量 GH4169 合金沉積態(tài)試樣的枝晶形貌。在常規(guī) GH4169 合金中，枝晶結(jié)構(gòu)主要是粗大的一次枝晶，且二次枝晶臂不發(fā)達(dá)（圖 3-5（a））；隨著合金中 Nb 元素含量的增加，枝晶二次臂特征逐漸顯現(xiàn)，當(dāng) Nb 含量達(dá)到 7.0%時(shí)二次枝晶臂結(jié)構(gòu)已經(jīng)非常明顯（圖 3-5（c））；當(dāng) Nb 元素含量繼續(xù)增加時(shí)，二次枝晶臂也變得更加發(fā)達(dá)（圖 3-5（e）），甚至出現(xiàn)了三次枝晶臂。從圖 3-5 可以看出，枝晶的分枝越發(fā)達(dá)，各枝晶間的共晶組織的距離就會(huì)越近，同時(shí)越容易形成連續(xù)的條狀（圖 3-5（f））。隨著合金中Nb 元素含量的增加，共晶組織的形貌也由原來(lái)的不連續(xù)點(diǎn)狀變?yōu)檫B續(xù)的條狀甚至最后形成網(wǎng)狀分布。熔池的結(jié)晶形態(tài)主要取決于溶質(zhì)濃度 C0、結(jié)晶速度 R 以及液相中的溫度梯度G 的綜合作用[58]，溶質(zhì)溶度 C0越大，溫度梯度 G 越小，結(jié)晶形態(tài)越向樹枝晶發(fā)

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