杜博睿，張學軍，郭紹慶，李 能，孫兵兵，唐思熠

(北京航空材料研究院 3D打印研究與工程技術中心，北京 100095)

?

激光快速成形GH4169合金顯微組織與力學性能

杜博睿，張學軍，郭紹慶，李 能，孫兵兵，唐思熠

(北京航空材料研究院 3D打印研究與工程技術中心，北京 100095)

利用GH4169合金粉末進行激光快速成形實驗，制備出GH4169合金塊狀試樣，并進行固溶時效熱處理。利用掃描電鏡(SEM)及能譜分析(EDS)等方法分別對激光成形沉積態(tài)及固溶時效態(tài)試樣進行顯微組織及元素偏析分析，并測試顯微硬度、室溫及高溫拉伸性能。結果表明：沉積態(tài)微觀組織為生長方向不一的細長柱狀樹枝晶，組織細小致密；經過固溶時效熱處理后晶粒得到細化，晶粒內部仍保留枝晶亞結構；固溶時效態(tài)試樣較沉積態(tài)顯微硬度及抗拉強度大幅提高，塑性有所下降，但整體優(yōu)于鍛件技術標準。斷口形貌表現為韌性穿晶斷裂方式。

激光快速成形；GH4169；顯微組織；力學性能

激光熔融沉積快速成形(LMD)技術，利用“離散-堆積”原理，采用高功率激光束對金屬粉末進行逐層熔化、快速凝固、逐層堆積、直接制造出致密高性能金屬零部件。該技術從零件的三維CAD模型出發(fā)，無需模具，直接制造零件，可以明顯降低成本，縮短研制周期，是滿足現代飛行器快速低成本研制和制造重要手段，同時也是滿足航空航天超規(guī)格、復雜金屬結構制造的關鍵技術[1-3]。該技術自20世紀90年代迅速發(fā)展以來，在國內外已經取得重要研究成果。美國AeroMet公司實現了激光快速成形制造的Ti6Al4V等飛機鈦合金構件在F-22及F/A-18E/F等飛機上裝機應用[4]。北京航空航天大學已實現激光熔化沉積TA15鈦合金大型構件在飛機上的應用[2,5]，西北工業(yè)大學激光制造工程中心制備出了高達3m的激光立體成形C919飛機中央翼緣條[6]。

鎳基高溫合金具有較高的高溫強度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，以及良好的疲勞性能、斷裂韌度、塑性等，是目前航空發(fā)動機和工業(yè)燃氣輪機渦輪等熱端部件的主要用材[7-9]。航空發(fā)動機的需要對鎳基高溫合金的性能和使用條件提出了越來越高的要求，同時也推動了高溫合金成形工藝的快速發(fā)展[10]。GH4169合金具有良好的耐高溫性能、抗腐蝕性能和焊接性能，廣泛應用于航空航天領域[11]。采用傳統(tǒng)方法制造零件，一般鑄造母合金經過熔煉過程制成，再經過鍛造提高性能，成本高且受限于零件形狀的復雜程度。利用激光熔融沉積快速成形技術制備致密高性能鎳基高溫合金具有無需模具、周期短、材料利用率高等優(yōu)點，也是近年來的一個研究熱點，國內外對鎳基合金激光快速成形的研究已有相關報道，如Rene’41合金的激光沉積成形、Inconel 718的選擇性激光燒結、FGH95合金的激光立體成形等[12-14]。本工作針對GH4169合金，研究了其激光快速成形過程中組織狀態(tài)的形成原理及元素的顯微偏析，對比分析了沉積態(tài)及固溶時效后力學性能的差異。

1 實驗材料與方法

以粒度范圍為50～100μm的氬氣霧化GH4169合金球形粉末為原料，粉末化學成分如表1所示，以鍛造GH4169板材為基材，在激光快速成形系統(tǒng)中進行實驗。該系統(tǒng)由YLR-6000型光纖激光器、雙通道送粉器、5軸聯動龍門機床(行程2500mm×3000mm×1000mm)、同軸連續(xù)送粉熔覆頭、充氬箱等部分組成。具體工藝參數為：激光功率800W，光斑直徑0.8mm，掃描速率500mm/min，搭接率30%～40%，送粉率4～5g/min，氬氣流量30L/min。成形件尺寸為80mm×40mm×30mm。

表1 氬氣霧化GH4169合金粉末化學成分(質量分數/%)Table 1 Chemical composition of argon atomized GH4169 alloy powder (mass fraction/%)

將成形件用電火花線切割為相等的兩部分，其中一部分進行固溶時效處理，熱處理制度為：980℃×lh/空冷+720℃×8h/爐冷至620℃×8h/空冷。另一部分保留為沉積態(tài)。使用BX51M型光學顯微鏡(OM)和CS3400掃描電子顯微鏡(SEM)分析顯微組織。金相腐蝕劑采用體積比為20∶20∶5∶10的H2O-HCl-HNO3-H2O2混合液。利用FM-800型顯微硬度儀測定焊接接頭顯微硬度分布，載荷為4.9N，加載時間為10s。沿成形件的沉積方向加工成標準拉伸試樣，在INSTRON5565型微機控制電子萬能試驗機上測試室溫拉伸性能。

2 結果與分析

2.1 沉積態(tài)顯微組織

圖1為激光快速成形過程中激光掃描路徑的示意圖，采用交叉掃描方式，即下一層的掃描軌跡與上一層垂直交叉。圖2為激光快速成形GH4169合金沿沉積方向的宏觀組織?？梢钥闯鲇捎诮徊鎾呙璧某尚畏绞剑诖私孛嫔希噜徣鄹矊又g交替呈現不同的形貌，同時，每一層的沉積都會使前一層的部分區(qū)域發(fā)生重熔，如圖2中虛線標注的區(qū)域，重熔區(qū)寬度約為0.3～0.4mm，單層沉積高度約為0.8mm。有研究表明，形成熔融痕跡層帶條紋狀形貌的原因是由于條紋線區(qū)域與其他區(qū)域的顯微組織不同，在每層的熔池底部為平界面狀生長，長離底部后為樹枝狀生長[15,16]。

圖1 激光掃描路徑示意圖Fig.1 Schematic illustration of laser scanning path

圖2 激光快速成形GH4169合金宏觀組織Fig.2 Macrostructure of laser melting deposited GH4169 alloy

從圖2所示宏觀組織還可以看到，存在的微小孔洞缺陷，缺陷形貌放大如圖3所示為規(guī)則圓形，可推斷其為氣孔缺陷，尺寸約為50μm。同時對GH4169合金粉末進行了微觀分析，可以看到球形粉末中存在部分空心粉，如圖4所示。因此，造成激光快速成形GH4169合金出現氣孔缺陷的主要原因是由于原始合金粉末中存在部分空心粉，在激光沉積成形過程中，空心粉末在熔池熔化后快速凝固，而氣體來不及從熔池中逸出，留在成形件中形成缺陷。

圖3 氣孔缺陷形貌Fig.3 Optical micrograph of pore defect

圖4 GH4169合金粉末形貌Fig.4 Optical micrograph of GH4169 alloy powder

圖5顯示了激光快速成形GH4169合金沿沉積方向截面的顯微組織，從圖5中可以看出成形件由生長方向不一的細長枝晶組成。在激光成形過程中，凝固始終自熔池底部向熔池頂部進行，凝固過程中熔池液態(tài)金屬與其固相基底始終保持接觸，粉末同步送入熔池中導致熔池向激光掃描方向傾斜。根據晶體生長理論，枝晶的生長方向主要由其與最大溫度梯度方向最為接近的擇優(yōu)取向決定，因此枝晶的生長也向掃描方向傾斜。由于相鄰熔覆層的激光掃描方向交叉垂直，熔池內部溫度梯度方向不同，因此后一層的枝晶生長方向與前一層的存在一定的偏差。由于激光快速熔凝所具有的高梯度、高速度的凝固特征，所得組織細密、均勻，枝晶一次間距約為5～10μm。

圖5 激光快速成形GH4169合金微觀組織Fig.5 Microstructure of laser melting deposited GH4169 alloy

2.2 元素顯微偏析

激光快速成形沉積態(tài)GH4169合金顯微組織呈柱狀樹枝晶生長，圖6(a)為其背散射掃描照片，灰色區(qū)域為枝晶軸，白色區(qū)域為枝晶間。表2列出了枝晶軸與枝晶間的EDS分析結果，可以看出枝晶軸富集Cr，Fe等基體γ相元素，枝晶間富集Ti，Nb等組成偏析相Laves相元素。同時觀察到方塊狀TiN的析出，如圖6(b)所示。鎳基高溫合金在熔態(tài)金屬和凝固初期形成的一次MC型碳化物，主要是TiN，NbC，性質穩(wěn)定，在以后的熱處理中基本不參與轉變[17]，通常碳化物相通過沉淀硬化僅提供有限的直接強化，更多的是通過抗剪切穩(wěn)定晶界提供強化。

圖6 背散射電子掃描照片 (a)沉積態(tài)GH4169合金；(b)TiN析出相Fig.6 Backscattered electron images (a)as-deposited GH4169 alloy;(b)precipitate of TiN

RegionAlTiCrFeNbNiDendriticregion(grayregion)0．891．0719．5115．802．8345．37Interdendriticregion(whiteregion)0．721．3416．1112．527．5639．33

2.3 固溶時效熱處理狀態(tài)顯微組織

圖7為激光快速成形GH4169合金經固溶時效后的顯微組織。由圖7可以看到，試樣經過固溶時效熱處理后，原沉積態(tài)組織中儲存的較大的變形能得到釋放，晶粒得到一定程度的細化，平均晶粒尺寸約100μm，個別晶粒尺寸超過150μm，晶粒內部仍然保留枝晶狀亞結構。固溶時效過程使成分均勻化，一定程度消除了凝固枝晶偏析。本實驗中GH4169合金經過標準熱處理制度的組織由基體γ相及γ′，γ″，δ等析出相組成，γ″相是主要強化相，γ′相數量僅次于γ″，起部分強化作用，δ相主要在晶界呈針狀析出，有助于消除材料缺口敏感性[18]。

2.4 力學性能

本實驗選取了激光快速成形GH4169合金對性能最有利的方向進行了取樣和室溫及高溫拉伸測試，實驗結果列于表3，同時列出了鍛件技術標準以進行比較?？梢?，沉積態(tài)GH4169合金具有相當高的塑性，但強度較低。經過固溶時效熱處理之后，室溫強度提高了55%，塑性有所下降，但整體優(yōu)于鍛件技術標準。而在650℃的實驗條件下，塑性低于鍛件技術標準。同時也進行了顯微硬度測試，結果表明，固溶時效后硬度(HV449)較沉積態(tài)硬度(HV288)接近提高了2倍。GH4169為沉淀強化型高溫合金，固溶時效后，析出與基體共格的bct結構γ″相為主要強化相，fcc結構的γ′相起輔助強化作用。另一方面，經固溶時效熱處理后晶粒得到細化，而晶內仍保留組織細密的枝晶亞結構，在一定程度上起到了強化作用。

圖7 激光快速成形GH4169合金經固溶時效后的顯微組織Fig.7 Microstructure of laser melting deposited GH4169 alloy after solution and aging treatment

表3 激光快速成形GH4169合金拉伸性能Table 3 Tensile properties of laser melting deposited GH4169 alloy

圖8為GH4169合金沉積態(tài)及固溶時效態(tài)的室溫拉伸斷口宏觀及微觀形貌。可見，兩種狀態(tài)下的斷口均為韌性斷裂特征，中心為塑性區(qū)，邊緣為撕裂區(qū)。斷口分布大量韌窩，為等軸或近似等軸狀，表現為韌性穿晶斷裂方式。與固溶時效態(tài)相比，沉積態(tài)試樣中心塑性區(qū)面積較大，韌窩較深，表現出較高的塑性，與室溫拉伸性能測試結果是吻合的。

圖3,4顯示了當粉末本身存在空心粉時，將在成形試樣中形成氣孔，這將導致成形件的致密程度降低，在拉伸過程中容易形成微孔聚集型裂紋，對材料的室溫及高溫性能有著重要的影響。從工藝的角度，選用等離子旋轉電極制備的實心粉末，或在激光快速成形后采取熱等靜壓處理，可減少氣孔缺陷。另一方面，調整熱處理制度，改變固溶時效溫度、時間或可改善激光成形金屬性能，提高高溫塑性，還需進一步深入研究。

圖8 室溫拉伸斷口形貌 (a)沉積態(tài)低倍；(b)沉積態(tài)高倍；(c)固溶時效態(tài)低倍；(d)固溶時效態(tài)高倍Fig.8 Fracture surface of tensile testing at room temperature (a)overall view of as-deposited alloy；(b)high magnification of as-deposited alloy；(c)overall view of alloy after heat treatment；(d)high magnification of alloy after heat treatment

3 結論

(1)激光快速成形GH4169合金宏觀表現為相鄰熔覆層之間交替呈現不同的形貌，微觀組織由生長方向不一的細長枝晶組成，組織細小致密。由于空心粉的存在導致成形件中出現氣孔缺陷。

(2)激光快速成形GH4169合金經過固溶時效熱處理后晶粒得到細化，晶粒內部仍保留枝晶亞結構。

(3)經過固溶時效熱處理之后，顯微硬度及室溫抗拉強度大幅提高，塑性有所下降，但整體優(yōu)于鍛件技術標準。而650℃高溫條件下，塑性略低于鍛件標準。斷口形貌表現為韌性穿晶斷裂方式。

[1] LIN J, STEEN W M. Design characteristics and development of a nozzle for coaxial laser cladding[J]. Journal of Laser Applications, 1998, 10(2):55-64.

[2] 王華明,張凌云,李安,等.先進材料與高性能零件快速凝固激光加工研究進展[J].世界科技研究與發(fā)展,2004,26(3):27-31.

WANG H M, ZHANG L Y, LI A, et al. Progress on rapid solidification laser processing for advanced materials and component[J]. World Sci-technol R&D, 2004, 26(3):27-31.

[3] 黃衛(wèi)東, 林鑫. 激光立體成形高性能金屬零件研究進展[J]. 中國材料進展, 2010, 29(6):12-27.

HUANG W D, LIN X.Research progress in laser solid forming of high performance metallic component[J]. Materials China, 2010, 29(6):12-27.

[4] 王華明,張述泉,湯海波,等.大型鈦合金結構激光快速成形技術研究進展[J]. 航空精密制造技術, 2008, 44(6): 28-30.

WANG H M, ZHANG S Q, TANG H B, et al. Research progress of laser melting deposition of large titanium structure components[J]. Aviation Precision Manufacturing Technology, 2008, 44(6): 28-30.

[5] 王華明,張述泉,王向明.大型鈦合金結構件激光直接制造的進展與挑戰(zhàn)[J].中國激光,2009,36(12):3204-3210.

WANG H M, ZHANG S Q, WANG X M. Progress and challenges of laser direct manufacturing of large titanium structure components[J]. Chinese Journal of Lasers, 2009, 36(12): 3204-3209.

[6] 張學軍, 唐思熠, 肇恒躍, 等. 3D打印技術研究現狀和關鍵技術[J]. 材料工程, 2016, 44(2): 122-128.

ZHANG X J, TANG S Y, ZHAO H Y,et al.Research status and key technologies of 3D printing[J]. Journal of Materials Engineering, 2016, 44(2): 122-128.

[7] 王會陽, 安云岐, 李承宇,等. 鎳基高溫合金材料的研究進展[J]. 材料導報, 2011，(增刊2):482-486.

WANG H Y, AN Y Q, LI C Y, et al. Research progress of Ni-based superalloys[J]. Materials Review, 2011,(Suppl 2):482-486.

[8] SHYAM A, MILLIGAN W W. Effects of deformation behavior on fatigue fracture surface morphology in a nickel-base superalloy[J]. Acta Materialia, 2004, 52(6):1503-1513.

[9] GELL M, DUHL D N, GIAMEI A F. The development of single crystal superalloy turbine blades[A].Superalloys, 1980.205-214.

[10] 唐中杰, 郭鐵明, 付迎,等. 鎳基高溫合金的研究現狀與發(fā)展前景[J]. 金屬世界, 2014,(1):36-40.

TANG Z J, GUO T M, FU Y, et al. Research present station and the development prospect of nickel-based superalloy[J] . Metal World, 2014,(1):36-40.

[11] QI H, AZER M, RITTER A. Studies of standard heat treatment effects on microstructure and mechanical Properties of laser net shape manufactured Inconel 718[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2009, 40(10): 2410-2422.

[12] LI J, WANG H M. Microstructure and mechanical properties of rapid directionally solidified Ni-base superalloy Rene’41 by laser melting deposition manufacturing[J]. Materials Science and Engineering: A, 2010, 527:4823-4829.

[13] AMATO K N, GAYTAN S M, MURR L E, et al. Microstructures and mechanical behavior of Inconel 718 fabricated by selective laser melting[J]. Acta Materialia, 2012, 60:2229-2239.

[14] 馮莉萍,黃衛(wèi)東,林鑫,等.FGH95合金激光成形定向凝固顯微組織與性能[J].中國有色金屬學報,2003,13(1):181-187.

FENG L P, HUANG W D, LIN X, et al. FGH95 superalloy laser metal forming directional solidification[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2003,13(1):181-187.

[15] 張霜銀,林鑫,陳靜,等.工藝參數對激光快速成形TC4鈦合金組織及成形質量的影響[J].稀有金屬材料與工程,2007,36(10)：1839-1843.

ZHANG S Y, LIN X, CHEN J, et al. Influence of processing parameter on the microstructure and forming characterizations of Ti-6Al-4V titanium alloy after laser rapid forming processing[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2007, 36(10)：1839-1843.

[16] CHONG C E, WILCOX W R. Control of interface shape in the vertical bridgman-stockbarger technique[J]. J of Crystal Growth, 1974, 21: 135-140.

[17] 莊景云,杜金輝.變形高溫合金[M].北京:冶金工業(yè)出版社, 2006.

[18] 中國航空材料手冊編輯委員會.中國航空材料手冊:變形高溫合金、鑄造高溫合金[M]. 2版.北京:中國標準出版社,2001.

Editor Committee of Chinese Aerospace Material Manual.Chinese Aerospace Material Manual: Deforming Superalloy and Casting Superalloy[M]. 2nd Ed．Beijing: Standards Press of China, 2001.

(本文責編：楊 雪)

Microstructure and Mechanical Properties of Laser Melting Deposited GH4169 Superalloy

DU Bo-rui，ZHANG Xue-jun，GUO Shao-qing，LI Neng，SUN Bing-bing，TANG Si-yi

(3D Printing Research and Engineering Technology Center，Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China)

The block samples of a Ni-based superalloy named GH4169 were prepared by laser melting deposited method using the corresponding GH4169 alloy powders, and then were heat treated with solution treatment followed by double aging. The microstructure and element segregation analysis of both as-deposited and heat treated samples were studied by scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS). The microhardness as well as tensile properties at room and elevated temperatures were tested. The results indicate that the microstructure of as-deposited sample mainly consists of columnar dendritic crystals that grow along with different directions. Grains are refined after solution and aging heat treatment, but remain dendritic crystals substructure inside. Compared with the as-deposited sample, the microhardness and tensile strength of the heat treated sample increase substantially, but the plasticity somewhat decreases. Nonetheless the tensile properties are superior to the standard values of forgings. The fracture surface exhibits ductile transcrystalline fracture mode.

laser melting deposition；GH4169；microstructure；mechanical property

10.11868/j.issn.1001-4381.2014.001258

TG146.4

A

1001-4381(2017)01-0027-06

北京市科技計劃項目(Z141100002814002)

2014-05-23;

2015-08-10

杜博睿(1988-)，男，工程師，碩士，主要從事激光3D打印及焊接技術研究，聯系地址：北京市81信箱20分箱(100095)，E-mail: duborui621@126.com