Nb添加对激光增材制造GH4169合金组织性能的影响

发布时间：2020-07-23 01:57

【摘要】：激光增材制造是一种利用激光作为热源,以粉末同步送进或粉末床的形式实现零件快速近净成形的新兴制造工艺。由于激光增材制造是同成分的逐点成形,且熔池凝固速率快,不存在传统的铸造工艺中的宏观偏析现象。因此,激光增材制造技术十分适用于GH4169等容易出现成分偏析镍基高温合金的成形。随着我国航空科技的迅速发展,新一代飞行器必须满足超高速、高空、长航时、超远航程的需求,这也对作为发动机关键材料的GH4169合金加工技术、材料组织和力学性能提出了更高的要求。Nb元素作为一种重要的强化元素决定了GH4169合金的微结构及力学性能,通过研究Nb元素对激光增材制造GH4169合金微结构的调控与力学性能的优化,有利于拓宽激光增材制造在镍基高温合金零件成形与修复领域的应用。本文通过机械球磨的方式,提高了常规GH4169合金粉末中铌(Nb)元素的含量,利用同轴送g尲す庠霾闹圃旒际醭尚瘟司哂胁煌琋b含量的GH4169合金试样,研究了Nb元素含量对激光增材制造GH4169合金显微组织、微观偏析、沉淀相变化的影响,并对其力学性能进行了分析。主要得到如下研究结果:激光增材制造添加Nb元素后GH4169合金试样的宏观组织仍具有常规GH4169合金激光增材制造的特征,呈现为粗大的柱状晶组织。实验发现,随着Nb含量的增加,柱状晶的生长方向由偏离激光束中心向上向外生长变化为朝向激光束向上向内生长。在微观组织方面,随着合金中Nb元素含量的增加,枝晶结构特征愈为明显,枝晶二次臂越发达,枝晶间共晶组织的数量逐渐增加,共晶形貌逐渐变得连续。其中,合金中Nb元素含量达到11.1 wt.%时,枝晶间共晶组织的数量最多,形貌上变为连续网状结构。随着Nb添加量的增加,激光增材制造GH4169合金试样枝晶干γ相中Nb含量均有所增加,枝晶间与枝晶干之间的Nb含量差别缩小。Nb元素的偏析比随合金中Nb元素含量的增加由8.59下降至4.13。这表明有更多的Nb元素固溶到基体γ相中。XRD测试也显示γ基体(200)面所对应的2θ值大致呈减小趋势,这反映出Nb元素含量的增加。经过直接时效(720℃×8 h/炉冷+620℃×8 h/空冷)热处理后,枝晶间Laves相的形貌与数量无明显变化,但是,随着Nb含量的增多,直接时效态试样枝晶间共晶组织局部区域δ相析出增多。激光增材制造常规GH4169合金经直接时效处理后,在枝晶间共晶Laves相附近有大量γ?强化相,而枝晶干几乎没有强化相析出。随着Nb含量的增多,枝晶干γ?强化相析出增多,枝晶干与枝晶间γ?强化相析出数量差别减小,这与高Nb含量GH4169合金中枝晶干Nb含量增多有关。合适的固溶处理能够消除枝晶结构,实现激光增材制造不同Nb含量GH4169合金中合金元素的均匀化。固溶温度越高,各成分试样的枝晶结构消除越明显;在相同热处理状态下,固溶态试样中保留的Laves相随合金中Nb含量的增加而增多。当Nb含量较少时可选择1100℃作为固溶处理的最低温度,而当含Nb量超过7.0 wt%时,可以适当提高固溶温度以消除枝晶间Laves相,但应该避免固溶温度过高使得高Nb含量GH4169合金发生局部重熔。因而,可以考虑在1150℃温度下进行更长时间的固溶处理以尽可能地消除枝晶间Laves相,实现合金元素的均匀化。激光增材制造常规GH4169合金沉积态显微硬度平均值为228.4 HV,随着Nb含量的增加,沉积态显微硬度值逐渐升高,当Nb含量为11.1 wt%时,显微硬度达到534.1 HV;固溶态试样的硬度值随固溶温度的升高而降低,在相同固溶温度下,不同Nb含量GH4169合金试样的硬度值随Nb含量的增加而升高。经过直接时效处理后,直接时效态试样的显微硬度值显著高于沉积态试样,最高为640.7HV。随着Nb含量的增加,直接时效态试样的显微硬度升高趋势变缓,沉积态试样的硬度值与直接时效态的差距也逐渐减小。激光增材制造常规GH4169沉积态材料的抗拉强度为829 MPa,延伸率为41%。随着合金中含Nb量的增多,激光增材制造沉积态材料的抗拉强度呈现出先升高后降低的规律,最高可达1009 MPa。而沉积态材料的延伸率随Nb含量的增加而呈现下降趋势。相比于沉积态试样,直接时效处理后材料的抗拉强度均有提高,而延伸率有所降低。激光增材制造不同Nb含量GH4169合金直接时效态试样的抗拉强度随Nb含量的增加而呈现先增加后降低的趋势。当Nb含量为8.5wt%时,材料的抗拉强度提高至最大,达到1393 MPa,延伸率降低至4%。沉积态试样与直接时效态试样断口表面都随Nb含量而逐渐平整,二次裂纹也逐渐增多、变深,逐渐呈现出明显的脆性断裂特征。
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG132.3;TG665;V261.8
【图文】：

拉伸试样,尺寸

制造不同 Nb 含量 GH4169 合金性能测能热处理态试样进行维氏显微硬度测量。实验所用用的测量参数为：载荷 F=200 g，载荷保持时间能制造不同 Nb 含量 GH4169 合金沉积态与直接时，主要得到不同热处理状态下试样的抗拉强度及的沉积态试样为片状拉伸试样，厚度为 2 mm，时效态试样采用棒状拉伸试样，尺寸如图 2-1对失效断裂试样的断口进行分析，观察断口特征变化规律及断裂机制。(a)

示意图,熔池,固液界面,制造过程

图3-3 为两种不同固液界面形成的熔池形貌示意图。图 3-3 激光增材制造过程中不同固液界面形成的熔池形貌示意图(a)上凸形界面; (b)下凹形界面基于激光增材制造技术的特点，每道次成形后的熔覆层上部都为图 3-3 中虚线所示的上凸形表面。当成形第 1 层时，会将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，熔池中间温度高，两边温度低，因此熔覆层中间部分要比两边部分重熔深度大，形成新的熔池如图 3-1 中所示基板上熔池形状。当成形高度增加，对于单道多层成形而言，随成形过程中热量累积作用成形试样宽度越来越大，当热输入输出达到平衡后试样宽度基本保持不变。从图 3-1所示来看，此平衡宽度大于实验中所用的激光光斑直径尺寸，这说明在成形过程中熔池液态金属在各种力的作用下发生了铺展。比较图 3-3 中两种不同熔池底部形貌，发现随 Nb 元素含量的增加，激光增材制造过程中熔池深度增加，则需要更多的热量来实现。考虑到整个激光增材制造成形过程，所用激光功率及其他成形参数均相同，可以认为造成此不同熔池形貌的原因为添加的 Nb 元素含量不同。(a)n 熔覆层上部n+1 熔覆层(b)n+1 熔覆层n 熔覆层上部Q3固相Q1Q2(a)液相Q1′(b)固相Q3′Q2′液相

形貌,GH4169合金,枝晶,形貌

图 3-4 激光增材制造不同 Nb 含量 GH4169 合金沉积态试样枝晶间形貌(a)4.9%Nb; (b)5.5%Nb; (c)7.0%Nb; (d)8.5%Nb; (e)10.1%Nb; (f)11.1%Nb共晶组织的形貌主要取决于枝晶的发达程度，枝晶越发达则枝晶间的共晶组织量越多，分布连续性越好。图 3-5 为激光增材制造不同 Nb 含量 GH4169 合金沉积态试样的枝晶形貌。在常规 GH4169 合金中，枝晶结构主要是粗大的一次枝晶，且二次枝晶臂不发达（图 3-5（a））；随着合金中 Nb 元素含量的增加，枝晶二次臂特征逐渐显现，当 Nb 含量达到 7.0%时二次枝晶臂结构已经非常明显（图 3-5（c））；当 Nb 元素含量继续增加时，二次枝晶臂也变得更加发达（图 3-5（e）），甚至出现了三次枝晶臂。从图 3-5 可以看出，枝晶的分枝越发达，各枝晶间的共晶组织的距离就会越近，同时越容易形成连续的条状（图 3-5（f））。随着合金中Nb 元素含量的增加，共晶组织的形貌也由原来的不连续点状变为连续的条状甚至最后形成网状分布。熔池的结晶形态主要取决于溶质浓度 C0、结晶速度 R 以及液相中的温度梯度G 的综合作用[58]，溶质溶度 C0越大，温度梯度 G 越小，结晶形态越向树枝晶发

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