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激光增材制造IN625镍基高温合金组织及性能研究

秦兰兰  
【摘要】:激光增材制造技术(Laser Additive Manufacturing,LAM)是快速制造技术的一种,采用高能量激光束扫描金属粉末或金属丝,从下到上成形出具有复杂形状的三维零构件,在航空、医疗、化工等领域运用较为广泛。在这些领域中镍基高温合金引起了人们的广大关注。IN625镍基合金主要用于制造航空发动机的高温零部件,如涡轮叶片,涡轮盘等,激光增材制造技术具有快速、成本低、周期短、柔性高,高性能零件自由实体成形,无需模具等优点。目前采用激光增材制造技术制备IN625镍基高温合金的研究仍处于起步阶段,对其深入研究十分有意义。本文采用激光增材制造技术制备了IN625镍基高温合金试样,然后对成形件进行高温退火处理,研究了不同的退火温度下成形件的组织形貌特征以及综合机械性能。利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)以及配有能谱分析仪(EDS)的场发射透射电子显微镜(TEM)、多晶X射线衍射仪(XRD)、维氏显微硬度计、电子万能拉伸实验机、纳米压痕测试仪以及摩擦磨损实验机等分析测试设备对增材制造IN625的组织形貌、物相构成、析出相的形貌和类型、力学性能以及摩擦学性能进行了研究。分析了高温退火处理对激光增材制造的IN625合金组织结构与相关性能的影响。实验获得了以下几方面的研究结果:在优化工艺参数的前提条件下,采用激光增材技术制造了IN625镍基合金块体试样(尺寸:50 mm×50 mm×13 mm),该合金试样组织致密、无裂纹和孔隙等缺陷。XRD、SEM、EDS、TEM等分析结果表明:激光增材制造IN625镍基高温合金主要物相为固溶了大量Cr的γ-Ni固溶体。γ-Ni固溶体的微观组织为典型的树枝晶结构,一次枝晶沿着试样沉积方向外延生长。沉积态试样的微观组织为典型的枝晶结构。沉积态试样由若干沉积层组成,沉积层之间有明显的过渡区。对于每一沉积层,其上部区域和下部区域相比,上部二次枝晶较为发达。从试样低部到顶部非搭接区,由于不同区域冷却速率与温度梯度的差异,其枝晶形态发生了明显的改变,由二次枝晶较短枝晶→二次枝晶较长枝晶→等轴枝晶转变。增材制造IN625合金中γ-Ni固溶体枝晶间析出相主要为粗大的不规则形状的Laves相以及纳米级MC型碳化物(NbC,Nb(Ti)C)。1000℃-1200℃的高温退火处理不改变增材制造IN625试样的主要物相结构类型,当退火温度为1000℃时,合金试样开始出现再结晶现象,退火温度达到1200℃时,再结晶晶粒完全取代树枝晶。对沉积态和三种退火热处理温度下试样的XRD分析结果表明:一方面高温退火通过再结晶过程降低了树枝晶的取向性;另一方面,高温退火使枝晶间主要析出相Laves相局部溶解,其形态、尺寸也发生了改变,由粗大的不规则形状向细小短棒状和块状转变,同时更多量Mo、Nb等原子固溶进入γ-Ni中,使γ-Ni固溶体晶格常数略有增加。对各试样电子拉伸实验以及硬度测试结果表明:与未处理增材试样相比,经过1000℃-1200℃不同温度退火处理试样的抗拉强度和延伸率均有所提高,屈服强度和硬度有所降低,而弹性模量基本不变,均为270 GPa。三种退火温度下均获得高于26%的延伸率,较沉积态试样的延伸率提高100%以上;其中1000℃退火处理的抗拉强度提高最大,由沉积态的812 MPa提高至915 MPa,而屈服强度下降最少,由沉积态的635 MPa降低至564 MPa,各处理状态下试样的拉伸断裂机制呈现典型的韧性断裂。硬度实验结果表明:激光增材制造的沉积态IN625合金试样横、纵截面的显微硬度分别为233 HV和261 HV。高温退火降低了晶粒的取向性,使试样横纵截面硬度趋于均匀,合金硬度值分别降至1000℃、1100℃和1200℃退火态时的237 HV、233 HV和228 HV,而未热处理增材试样、以及经过1000℃/1h,1100℃/1h,1200℃/1h退火处理的增材试样的纳米硬度分别为3769 MPa、3375 MPa、3380 MPa、3329 MPa。热处理对增材IN625试样塑性的改善可能与退火处理促进了Laves相的局部溶解、并使其尺寸细小、分布更加弥散有关,同时更多Mo、Nb等原子固溶进入γ-Ni固溶体中,也有利于合金抗拉强度的提高。在摩擦磨损为400℃环境下,不同温度的退火处理对各试样的摩擦系数的影响不显著。经过热处理后试样的耐磨性能依次降低,这是由于枝晶结构的消失、内应力的消除以及Laves相的溶解等因素造成的。各种处理条件下试样的磨损均为粘着磨损和表面疲劳磨损。磨屑呈现典型的片状和小颗粒状结构。通过本文的研究,为激光增材制造IN625合金在航空航天、石油化工等领域的应用以及镍基合金零部件的修复和直接成形方面提供了一定的参考价值。


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