具有梯度组织的Inconel718合金激光立体成形制备机理及技术研究

发布时间：2020-07-18 13:04

【摘要】：合金组织决定性能,性能决定用途。航空发动机热通道部件服役时集高温、大应力梯度和氧化腐蚀环境于一体,对合金的使用性能和工艺性能都有较高要求。航空发动机中涡轮盘和叶片的承温由叶尖至涡轮盘毂极速递减,而承受的应力则快速递增。虽然涡轮盘、叶片大部分由析出强化型镍基高温合金制备,但现代涡轮叶片一般是定向组织或单晶组织,而涡轮盘具有等轴晶组织(双性能涡轮盘可实现轮缘粗晶、轮毂细晶的梯度组织结构)。因此,传统制备工艺需要单独制备涡轮盘和叶片再组装成涡轮叶盘,制造工艺复杂、工艺精度要求高、成品率低、生产成本高。激光立体成形技术因具有柔性高、成形速度快、对零件形状和尺寸限制小、材料组织致密和力学性能高等特点,有望实现一体化成形涡轮叶盘。本论文采用激光立体成形技术,以目前航空发动机中应用最为广泛的镍基高温合金Inconel718(IN718)为成形材料,分析了成形工艺参数和成形后的热处理对实现一体化制备具有细晶、粗晶和柱状晶梯度组织合金的组织和性能的影响,旨在提高快速成形部件的性能、促进该技术最终实现梯度成分和组织的快速制备。主要研究结论如下:(1)不同工艺参数下激光立体成形IN718合金沉积态试样组织均由柱状晶组成,组织中有少量等轴晶出现,在激光功率1000 W、激光光斑直径2 mm工艺参数时的试样含有等轴晶数量最多。在激光功率600 W、激光光斑直径1mm和激光功率2000 W、激光光斑直径4 mm工艺参数时的试样分别由细的柱状晶和粗大的柱状晶构成。在激光功率1000 W、激光光斑直径2 mm工艺参数时的试样抗拉强度、屈服强度最高,分别为936MPa和729MPa。沉积态试样经固溶处理后,柱状晶不能完全转化为等轴晶。(2)在选用激光光斑直径1 mm时,IN718合金试样的沉积态组织因激光功率的增加,试样中柱状晶等轴晶转变区域也相对增加。沉积态试样中组织的Laves相形貌随激光功率的增加而不断变化。在1100℃固溶温度下,不同激光功率下试样组织变化明显,主要是由于不同的残余应力作为再结晶驱动力,导致了晶粒尺寸的改变。在激光光斑直径1mm、激光功率1000 W时,获得了平均晶粒尺寸最小为60 μm并且相对较为均匀的细等轴晶组织。(3)在激光光斑直径为2mm,选用不同激光功率成形时,IN718合金试样沉积态组织仍然以柱状晶为主,在1100℃固溶处理后,试样在激光功率1350W时的晶粒相对较为细小,但是仍然大于激光功率1000W、激光光斑直径1mm时固溶处理后的试样。固溶处理后,试样的抗拉强度和屈服强度相对较低,但是塑性较高,断后延伸率在50%以上。经过均一化固溶处理+δ时效处理+双时效处理后,试样的抗拉强度和屈服强度明显增加,在激光功率为1350W时,抗拉强度为1342MPa、屈服强度为1129MPa,综合力学性能较好。(4)在激光光斑直径为3mm、激光功率1850W下,试样残余应力值较高,固溶处理后的试样中含有的孪晶界数量最多,而小角度晶界数量最少,组织为粗大的等轴晶,平均晶粒尺寸为190 μm;经过均一化固溶处理+δ时效处理+双时效处理后,合金的抗拉强度和屈服强度最高,分别为1318MPa和1107MPa。沉积态试样在激光光斑直径为4 mm、激光功率2300 W时,残余应力最高,经过固溶处理后,试样中仍含有一定数量的柱状晶组织。(5)在制备的梯度组织IN718合金沉积态试样中,仍以柱状晶组织居多,经固溶处理后,在激光功率1000 W、激光光斑直径1mm参数区域组织为相对细小的等轴晶,而在1850 W、3 mm参数区域组织为较粗大的等轴晶,在2000 W、4mm参数区域组织为粗大的柱状晶组织。经过均一化固溶处理+δ时效处理+双时效处理后的试样在梯度组织结合处分别拉伸,断裂位置在激光功率1850W、激光光斑直径3 mm的粗晶区域和激光功率2000 W、激光光斑直径4 mm的柱状晶区域。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG665;TG132.3
【图文】：

涡轮盘,和服,应力分布,情况

涡轮盘轮毂处于低温高应力状态，轮毂材料需要具备高的屈服强度和抗疲逡逑劳性能，组织应为细晶组织，而轮缘承受高温低应力，轮缘材料需要具备高的蠕逡逑变强度和低的裂纹扩展速率，组织应为粗晶组织。图１．２为涡轮盘在服役过程中逡逑不同部位所处的温度和应力状态。随着涡轮盘制备技术的发展，涡轮盘在服役过逡逑程中可以承受的环境温度越来越高，由最初第一代的承受温度５５０°Ｃ，到第五代逡逑涡轮盘合金的７８０°Ｃ以上。与此同时，涡轮盘的合金成分组成和相应的制备工艺逡逑也在不断发展。表Ｍ是涡轮前和盘缘在不同阶段可以承受的温度表。逡逑ｆｃ！曼德Ａ逦Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋Ｔ逡逑柋逡逑＾逡逑Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ邋ｐｏｓｉｔｉｏｎ逡逑Ｂｏｒｅ逦Ｒｉｍ逡逑图１．２涡轮盘和服役时温度和应力分布情况｜１］逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋（ａ）邋Ｍａｃｒｏｇｒａｐｈ邋ｏｆ邋ｔｕｒｂｉｎｅ邋ｄｉｓｋ，邋（ｂ）邋Ｔｈｅ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ａｎｄ邋ｓｔｒｅｓｓ邋ｄｕｒｉｎｇ逡逑ｓｅｒｖｉｃｅ邋⑴逡逑表１．１不同阶段涡轮前和盘缘温度的发展ＵＭ］逡逑Ｔａｂｌｅ邋１．１邋Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒ

路线图,打印工,路线图

逦Ｐｏｕｒｉｎｇ逦Ｋｎｏｃｋｏｕｔ逦Ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ逡逑图１．５熔模铸造制备涡轮叶片流程图［１］逡逑Ｆｉｇ．邋１．５邋Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｖａｒｉｏｕｓ邋ｓｔａｇｅｓ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｉｎｖｅｓｔｅｍｅｎｔ邋ｃａｓｔｉｎｇ邋ｐｒｏｃｅｓｓ１＇１逡逑综上所述，现有的技术手段很难实现一体化制备梯度组织的涡轮盘和叶片，逡逑所以寻找一种可以一体化制备具有梯度组织的涡轮叶盘技术手段很有必要。这种逡逑工艺在制备具有相对复杂形状零件时应具有缺陷少、成本较低的特点。逡逑１．３３Ｄ打印筒介逡逑１．３．１邋３Ｄ打印研究现状逡逑３Ｄ打印技术作为一种新兴的技术受到了国内外科研工作者和生产者的广泛逡逑关注［２４＿３４］，邋３Ｄ打印技术，也被称为增材制造技术、快速成型技术等。３Ｄ打印兴逡逑起于上世纪９０年代，其主要工艺流程是通过绘图软件进行建模，然后通过剖分逡逑软件对模型进行剖分，转换为３Ｄ打印设备可以识别的文件类型，然后设备按照逡逑程序文件进行打印，其工艺路线如图１．６所示。逡逑与传统生产工艺相比３Ｄ打印技术具有如下几个特点［３５＞３６］：逡逑（１）

工艺图,工艺,光固化,成形工艺

邋■士逡逑图１．７光固化成形工艺［３７］逡逑Ｆｉｇ．邋１．７邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｓｔｅｒｅｏ邋ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ邋ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ＾３７］逡逑Ｏｐｔｉｃｓ逡逑Ｘ－Ｙ邋Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ邋Ｄｅｖｉｃｅ逦＾邋｜ｊ｜逦＾、逡逑Ｌａｊｒｅｒ邋Ｏｕｔｌｉｎｅ邋ａｎｄ逦Ｌａｓｅｒ逡逑Ｃｒｏｓｓｈａｔｃｈ逦．、逡逑Ｓｈｅｅｔ邋Ｍａｔｅｒｉａｌ逡逑丁邋ａｋｅ－叩邋Ｒｄｌ逡逑Ｉ邋７邋Ｍ逡逑Ｐａｒｔ邋Ｂｌｏｃｋ逦１邋？逡逑Ｐｌａｔｆｃ？逡逑、、—Ｍａｔｅｒｉａｌ邋Ｓｕｐｐｌｙ邋Ｒｏｌｌ逡逑图１．８分层实体式工艺［功逡逑Ｆｉｇ．邋１．８邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ＬＯＭ邋ｐｒｏｃｅｓｓ＾３＂＾逡逑厂邋ＳＣＡＮＮＥＲ逡逑ＳＹＳＴＥＭ＜Ｆ＞逦，＿邋ＬＡＳＥＲ逡逑Ｉ邋／逦逡逑Ｓ＃粒蹋疲模]3?ＷＫ邋逦逡逑逦、逦ｎｒ逦逡逑ｉ逦＼逦：逡逑ＲＯＬＬＥ邋Ｒ邋（Ｂ）邋＂Ａ，逦／邋＼逦逦ｆ邋Ａ６ＲＩＣＡＨ０Ｎ邋；逡逑ｖ逦ｊ邋Ｉ逦／逦ＰＯＷＤＥＲ邋ＢＣＤ邋（Ａ＞邋ｉ逡逑Ｏ．．．

【参考文献】