热等静压对激光选区熔化制备高温合金的影响
发布时间：2021-02-01 08:43
采用一种氩气雾化制得的新型镍基高温合金粉末,通过激光选区熔化（SLM）方法制备样品,其中激光功率为315 W,扫描速率为750 mm·s-1,用扫描电镜分析其横截面及纵截面组织特征;然后进行1 200℃/150 MPa/4 h的热等静压处理,随后进行固溶及时效处理,分别在650和850℃下进行拉伸试验,并分析组织及断口微观形貌;探讨热等静压和热处理分别对组织及性能的影响。结果表明,该粉末SLM工艺成形性能好,裂纹及孔洞等缺陷少,HIP处理后SLM试样内部的微裂纹得到修复,组织形貌发生改变,晶粒得到细化,且晶粒内部和晶界上析出较多MC相;HIP处理后合金高温力学性能大幅提升,其中850℃下断裂强度提升36%,达到912 MPa,伸长率提升125%,达到12.6%。该镍基粉末高温合金材料及"SLM+HIP"工艺有望应用于850℃下复杂形状的关键承载部件。
【文章来源】：金属功能材料. 2020,27(04)
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
粉末形貌(a)及粒径分布(b)
SLM工艺中激光功率和扫描速率是最重要的两个工艺参数[15-17]。当激光能量充足时,不仅粉末颗粒熔化,同时基体也发生熔化,有足够的高温液相形成连续的微熔池。如果激光功率低则粉末之间不能形成良好的焊合从而造成孔洞,激光功率过高则熔池温度远超过材料的熔点,在短时间内会发生氧化,同时熔池在高温下沸腾,飞溅出细小的颗粒,凝固后在熔池附近造成夹杂物;扫描速率决定粉末升温和冷却的速率,速率过快或过慢都会由于热应力过大形成裂纹。图2(a)所示打印熔道轮廓清晰连续,表面无过烧,也没有明显的球化颗粒,相邻熔道之间形成了良好的冶金结合,表明打印工艺参数设置合理,该粉末成形性能优异。图2(b)显示横截面组织内无明显孔洞,但有微裂纹存在,这是由于SLM是一个快速“熔化-凝固”的过程,熔体具有较高的温度梯度与冷却速度,这个过程积累了大量热应力,而且激光为点能源,作用区域小,熔池内外的热膨胀及收缩变形趋势不一致,SLM打印时扫描路径循环往复,对该区域会多次加热及冷却,反复作用下裂纹逐渐扩展,热应力得以释放。图3为SLM样品的纵截面,通过3(a)可以看出,熔池呈周期鱼鳞状结构,这是由于激光为点加热源,作用区域较小,在快速扫描过程中,金属粉末温度迅速上升迅速冷却,熔体的热量呈发射状向基板及周围粉末散失,逐渐凝固结晶形成凹坑状;重复线扫的过程在纵截面显示出周期鱼鳞状的特征。
从图3(a)还可以看出,在熔池的中心部位显示出胞状组织,在熔池的边界显示出柱状晶粒,该晶粒的生长方向与熔池的边界接近垂直;图3(b)进一步放大图显示从熔池边界到熔池内部,组织由垂直熔池边界的柱状晶逐渐演变为胞状晶粒。单个熔池的热量首先通过熔池边界传导给已凝固部分,进而形成了垂直于熔池边界的结晶方向,故在熔池边界处的形核可以认为是非均匀形核,已凝固部分为后续凝固的液态金属提供了异质形核的基底,在这种条件下,生长速度较快的主轴,也即是垂直于熔池边界的晶向才能优先生长,而其他的晶向生长被抑制。距熔池边界稍远的部位,离传热界面较远则形成胞状晶粒,类似于铸造过程中柱状晶-等轴晶的转变。图3(c)中可以看出,在熔化道内形成许多取向各异的枝晶,这是因为熔体经历快速冷却,表面张力超过黏滞力,可以使熔体发生对流,由边界生长至内部的柱状晶容易被对流体破碎形成许多细小晶粒,在凝固过程中产生方向各异的枝晶。这种组织结构李瑞迪在不锈钢316L的SLM成形中也有所发现[18]。2.2 热等静压对SLM组织的影响
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光工艺参数对高硅铝熔覆层组织及性能影响研究[J]. 李枘,周伟,华鹏,李先芬. 金属功能材料. 2019(03)
[2]热处理对等离子弧增材制造Inconel 718合金组织与性能的影响[J]. 吕耀辉,王凯博,刘玉欣,林建军,徐滨士. 金属功能材料. 2018(05)
[3]热等静压工艺对SLM成形K4536合金组织与性能的影响[J]. 刘凯,王荣,祁海,杨启云,李雅莉. 航空材料学报. 2018(03)
[4]工艺参数对激光选区熔化316L不锈钢表面质量的影响[J]. 闫程程,杨立军,代文豪,施兰,李宁宁. 热加工工艺. 2017(20)
[5]激光选区熔化Inconel 625合金开裂行为及抑制研究[J]. 张洁,李帅,魏青松,史玉升,王联凤,郭立杰. 稀有金属. 2015(11)
[6]热处理态激光立体成形Inconel 718高温合金的组织及力学性能[J]. 宋衎,喻凯,林鑫,陈静,杨海欧,黄卫东. 金属学报. 2015(08)
[7]金属材料激光增材制造技术及在航空发动机上的应用[J]. 刘业胜,韩品连,胡寿丰,柴象海,曹源. 航空制造技术. 2014(10)
[8]粉末高温合金研究进展[J]. 张义文,刘建涛. 中国材料进展. 2013(01)
[9]涡轮盘用高性能粉末高温合金的优化设计探讨[J]. 胡本芙,田高峰,贾成厂,刘国权. 粉末冶金技术. 2009(04)
[10]激光快速成形Rene88DT高温合金的热等静压处理[J]. 赵晓明,林鑫,陈静,黄卫东. 中国有色金属学报. 2008(08)
博士论文
[1]激光选区熔化成形镍基高温合金的组织与性能演变基础研究[D]. 李帅.华中科技大学 2017
[2]金属粉末选择性激光熔化成形的关键基础问题研究[D]. 李瑞迪.华中科技大学 2010
本文编号：3012508
【文章来源】：金属功能材料. 2020,27(04)
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
粉末形貌(a)及粒径分布(b)
SLM工艺中激光功率和扫描速率是最重要的两个工艺参数[15-17]。当激光能量充足时,不仅粉末颗粒熔化,同时基体也发生熔化,有足够的高温液相形成连续的微熔池。如果激光功率低则粉末之间不能形成良好的焊合从而造成孔洞,激光功率过高则熔池温度远超过材料的熔点,在短时间内会发生氧化,同时熔池在高温下沸腾,飞溅出细小的颗粒,凝固后在熔池附近造成夹杂物;扫描速率决定粉末升温和冷却的速率,速率过快或过慢都会由于热应力过大形成裂纹。图2(a)所示打印熔道轮廓清晰连续,表面无过烧,也没有明显的球化颗粒,相邻熔道之间形成了良好的冶金结合,表明打印工艺参数设置合理,该粉末成形性能优异。图2(b)显示横截面组织内无明显孔洞,但有微裂纹存在,这是由于SLM是一个快速“熔化-凝固”的过程,熔体具有较高的温度梯度与冷却速度,这个过程积累了大量热应力,而且激光为点能源,作用区域小,熔池内外的热膨胀及收缩变形趋势不一致,SLM打印时扫描路径循环往复,对该区域会多次加热及冷却,反复作用下裂纹逐渐扩展,热应力得以释放。图3为SLM样品的纵截面,通过3(a)可以看出,熔池呈周期鱼鳞状结构,这是由于激光为点加热源,作用区域较小,在快速扫描过程中,金属粉末温度迅速上升迅速冷却,熔体的热量呈发射状向基板及周围粉末散失,逐渐凝固结晶形成凹坑状;重复线扫的过程在纵截面显示出周期鱼鳞状的特征。
从图3(a)还可以看出,在熔池的中心部位显示出胞状组织,在熔池的边界显示出柱状晶粒,该晶粒的生长方向与熔池的边界接近垂直;图3(b)进一步放大图显示从熔池边界到熔池内部,组织由垂直熔池边界的柱状晶逐渐演变为胞状晶粒。单个熔池的热量首先通过熔池边界传导给已凝固部分,进而形成了垂直于熔池边界的结晶方向,故在熔池边界处的形核可以认为是非均匀形核,已凝固部分为后续凝固的液态金属提供了异质形核的基底,在这种条件下,生长速度较快的主轴,也即是垂直于熔池边界的晶向才能优先生长,而其他的晶向生长被抑制。距熔池边界稍远的部位,离传热界面较远则形成胞状晶粒,类似于铸造过程中柱状晶-等轴晶的转变。图3(c)中可以看出,在熔化道内形成许多取向各异的枝晶,这是因为熔体经历快速冷却,表面张力超过黏滞力,可以使熔体发生对流,由边界生长至内部的柱状晶容易被对流体破碎形成许多细小晶粒,在凝固过程中产生方向各异的枝晶。这种组织结构李瑞迪在不锈钢316L的SLM成形中也有所发现[18]。2.2 热等静压对SLM组织的影响
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光工艺参数对高硅铝熔覆层组织及性能影响研究[J]. 李枘,周伟,华鹏,李先芬. 金属功能材料. 2019(03)
[2]热处理对等离子弧增材制造Inconel 718合金组织与性能的影响[J]. 吕耀辉,王凯博,刘玉欣,林建军,徐滨士. 金属功能材料. 2018(05)
[3]热等静压工艺对SLM成形K4536合金组织与性能的影响[J]. 刘凯,王荣,祁海,杨启云,李雅莉. 航空材料学报. 2018(03)
[4]工艺参数对激光选区熔化316L不锈钢表面质量的影响[J]. 闫程程,杨立军,代文豪,施兰,李宁宁. 热加工工艺. 2017(20)
[5]激光选区熔化Inconel 625合金开裂行为及抑制研究[J]. 张洁,李帅,魏青松,史玉升,王联凤,郭立杰. 稀有金属. 2015(11)
[6]热处理态激光立体成形Inconel 718高温合金的组织及力学性能[J]. 宋衎,喻凯,林鑫,陈静,杨海欧,黄卫东. 金属学报. 2015(08)
[7]金属材料激光增材制造技术及在航空发动机上的应用[J]. 刘业胜,韩品连,胡寿丰,柴象海,曹源. 航空制造技术. 2014(10)
[8]粉末高温合金研究进展[J]. 张义文,刘建涛. 中国材料进展. 2013(01)
[9]涡轮盘用高性能粉末高温合金的优化设计探讨[J]. 胡本芙,田高峰,贾成厂,刘国权. 粉末冶金技术. 2009(04)
[10]激光快速成形Rene88DT高温合金的热等静压处理[J]. 赵晓明,林鑫,陈静,黄卫东. 中国有色金属学报. 2008(08)
博士论文
[1]激光选区熔化成形镍基高温合金的组织与性能演变基础研究[D]. 李帅.华中科技大学 2017
[2]金属粉末选择性激光熔化成形的关键基础问题研究[D]. 李瑞迪.华中科技大学 2010
本文编号：3012508
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