激光快速成形粉末高温合金的力学性能研究.pdf
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1、第 37 卷 第 9 期 稀有金属材料与工程 Vol.37, No.9 2008 年 9 月 RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERING September 2008 收稿日期:2007-10-02 基金项目:国家自然科学基金(50331010)和西北工业大学英才培养计划(05XE0131)资助 作者简介:陈 静,女,1970 年生,博士,副教授,西北工业大学 凝固技术国家重点实验室,陕西 西安 710072,电话:029-88494001 激光快速成形粉末高温合金的力学性能研究 陈 静,赵晓明,杨海欧,冯莉萍,林 鑫,黄卫东 (西北工业大学 凝固技术国家重点实验
2、室,陕西 西安 710072) 摘 要:对激光快速成形粉末高温合金的组织和性能进行了研究。结果表明,激光快速成形沉积态组织中 沉淀相的析 出受到抑制,沉淀相在 基体中的体积分数小,相的平均尺寸显著细化。在热处理制度为 1165 固溶 2 h 空冷760 时效 16 h 空冷的基础上, 适当延长时效时间将有助于细小 沉淀相的长大, 使固溶时效态组织的抗拉强度提高到 P/M+ HIP 标准的 89%,屈服强度已经接近粉末冶金水平,显示出较好的强化效果。 关键词:高温合金;激光快速成形;力学性能;显微组织;沉淀相;固溶时效 中图法分类号:TG139 文献标识码:A 文章编号:1002-185X(20
3、08)09-1664-05 作为一项先进的实体自由成形技术,致密金属零 件的激光快速成形在近 10 年来得到了快速发展。 尤其 是钛合金的激光快速成形,目前已在先进飞机中获得 实际应用13。 高温合金的激光快速成形发展则相对较 慢。事实上,最早关于激光快速成形的研究是针对高 温合金开展的1979年美国联合技术研究中心的 D. B. Snow 等人通过调整镍基高温合金的成分,提高合 金在多层熔覆过程中的抗裂性,完成了涡轮盘模拟件 的无模制造4,5。20 世纪末瑞士洛桑理工学院 W. Kurz 等人的研究工作在激光成形高温合金的应用上具有代 表性,通过对 CMSX-4 镍基高温合金激光快速成形组
4、织形成规律的研究与控制,实现了燃气涡轮单晶叶片 的修复6。 近几年来,高温合金的激光快速成形研究逐渐变 得活跃,所针对的合金材料主要是 In7xx 系列和 Rene 系列的粉末高温合金,开展的研究工作主要集中在激 光成形过程中冶金缺陷(包括气孔和裂纹)的形成与防 止,熔凝组织的形成规律与控制,热处理工艺对组织 的影响,以及成形材料力学性能的检测等715。这些 方面的的研究结果表明,与钛合金相比,高温合金的 激光快速成形存在的问题,主要表现在:(1)成形过程 中熔覆层易于开裂,其中强度更高的第 1 代粉末高温 合金Rene95的裂纹敏感性高于第2代损伤容限型高温 合金 Rene88DT,通过成形
5、工艺参数的优化来防止裂 纹形成的作用有限;(2)参考粉末冶金工艺的热处理制 度对激光快速成形熔凝组织进行固溶时效处理后,没 有得到预期的强化效果,合金的力学性能和粉末冶金 +热等静压(P/M+HIP)标准还有一段距离; (3)对粉末高 温合金激光快速成形熔凝组织的热处理强化机制还有 待进一步的研究。基于以上认识,本研究分析了激光 快速成形粉末高温合金的组织与性能特点,并针对抗 裂性较好的第 2 代粉末高温合金 Rene88DT,对激光 快速成形熔凝组织的热处理工艺进行了探讨。 1 实 验 激光快速成形试验是在激光快速成形装备上完成 的,该装备由 5 kW CO2激光器、四坐标数控工作台、 高精
6、度送粉器和送粉喷嘴组成。熔覆材料为等离子旋 转电极法制备的球形 Rene95 和 Rene88DT 高温合金, 粉末粒度为 43150 m,粉末材料的化学成分见表 1。 基材为 1Cr18Ni9Ti 不锈钢。 表 1 粉末高温合金的化学成分 Table1 The chemical compositions of the superalloys powder (/%) Powder Cr Co W Mo Ti Al NbZr Fe Mn C S P Si Ni Rene95 13.2 7.4 3.03.2 2.9 3.63.50.0580.0740.0590.040.0075 0.0079 0.
7、042Bal Rene88DT 17.0 14.0 4.24.0 3.3 2.20.70.0440.0460.0720.030.0071 0.0077 0.034Bal 第 9 期 陈 静等:激光快速成形粉末高温合金的力学性能研究 1665 Rene95 和 Rene88DT 高温合金板状试样尺寸为 130 mm40 mm4 mm, 参考粉末冶金热处理工艺对 成形试样进行固溶时效处理(810-3 Pa 真空条件下加 热到(116510) 、保温 1 h,然后迅速打开风扇快 速冷却;(76010) 、保温 24 h、随炉冷却),而后 加工成标准板状拉伸试样。激光快速成形制备尺寸为 80 mm16
8、 mm16 mm的Rene88DT高温合金块状试 样,试样分为 3 组:第 1 组参考粉末冶金热处理工艺 进行固溶时效处理(810-3 Pa 真空条件下加热到 (116510) ,保温 2 h,空冷;(76010) ,保温 16 h,空冷);第 2 组先用线切割将成形试样切割成 15 mm10 mm5 mm 小试样,进行 1165 固溶 2 h 空冷 处理,随后在 760 分别进行 8、16、20、24、28、 32 和 40 h 的时效处理; 第 3 组采用基于第 2 组试验后 所得到的“优化”热处理工艺进行固溶时效处理。第 1 组和第 3 组试样经热处理后加工为标准棒状拉伸试 样,拉伸试验
9、在 INSTRON11-96 电子拉力试验机上完 成。 2 结果与讨论 2.1 激光快速成形高温合金的力学性能特点 表 2 为激光快速成形 Rene95 和 Rene88DT 高温合 金板状试样沿沉积高度方向拉伸时的室温拉伸试验结 果。从中可以看出,激光快速成形沉积态组织的强度 指标和塑性指标都低于 P/M+HIP 标准, 尤其是强度指 标,距离 P/M+HIP 标准较远;参考粉末冶金工艺的热 处理制度对激光快速成形沉积态组织进行固溶时效处 理后, 强度指标的提高很有限, 如 Rene95 的抗拉强度 提高约 50 MPa,Rene88DT 的抗拉强度提高约 150 MPa;经固溶时效处理后,
10、Rene95 高温合金材料的塑 性指标有较大幅度的提高,达到 P/M+HIP 标准; Rene88DT 高温合金的塑性指标基本没有变化。 表 2 激光快速成形高温合金板状试样的室温拉伸性能 Table 2 Tensile properties of superalloys plate specimens by laser rapid forming at room temperature Materials Forming procedure and status b /MPa 0.2 /MPa /% As-deposited 1264 11028.0 As-treated with solu
11、tion-aging 1311 107012.0 Rene95 P/M+HIP standard(Q/5B 4043-95) 1590 124010 As-deposited 910 790 13 As-treated with solution-aging 1050 920 14 Rene88DT P/M+HIP standard 1520 108017 对激光成形 Rene95 试样的显微硬度进行了测试, 其结果如图 1 所示。 其中 1 点靠近成形试样顶部一侧, 5 点靠近基材一侧,各测试点之间间距为 1 mm。由图 1 可知,不论是沉积态还是固溶时效态试样,从靠近 试样顶部一侧到靠近基
12、材一侧,沿沉积高度方向上材 料的硬度呈缓慢减小趋势;沉积态试样沿沉积高度方 向上的平均 HV 硬度值为 5240 MPa, 固溶时效态试样 的平均 HV 硬度值为 4690 MPa,均高于 P/M+HIP 工 艺(4150 MPa),表明激光快速成形工艺过程更易于获 得较硬的组织;固溶时效热处理后,激光快速成形试 样上各测试点硬度值的平均减小幅度为 HV55,这一 减小幅度与沉积态试样上从测试点 1 到测试点 3 硬度 值的减小幅度相当,这是由于在成形过程中沉积当前 层时已凝固的前数层、熔覆层反复经历再热循环,再 热循环对组织的软化效果和此处所选择的热处理工艺 的作用相当;测试点 1 位于试样
13、顶部一侧,由于没有 经受再热循环,此处组织的硬度最高;固溶时效处理 后激光快速成形试样沿沉积高度方向上的硬度值没有 趋于相同,表明所选择热处理工艺还未使整个成形试 样的组织充分均匀。 图 1 Rene95 试样沿沉积高度方向上的硬度变化曲线 Fig.1 Microhardness along the direction of deposition increment of laser formed Rene95 specimens 2.2 激光成形沉积态组织中 沉淀相的析出特点 Rene95 和 Rene88DT 都是典型的沉淀强化型高温 合金,合金总的溶质浓度低于 /共晶成分,因而平 衡凝固
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- 激光 快速 成形 粉末 高温 合金 力学性能 研究
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