K4202高溫合金激光選區(qū)熔化成形微觀組織研究

左 蔚，張權明，吳文杰，周化光

（西安航天發(fā)動機廠，陜西西安710100）

K4202高溫合金激光選區(qū)熔化成形微觀組織研究

左 蔚，張權明，吳文杰，周化光

（西安航天發(fā)動機廠，陜西西安710100）

為了實現(xiàn)激光選區(qū)熔化成形（SLM）這項新工藝在液體火箭發(fā)動機高溫合金結構上的推廣應用，明晰其強化機理以及研究相應的熱處理制度，對激光選區(qū)熔化快速凝固條件下組織形成及演化規(guī)律、第二相析出特點進行了分析和討論。采用SLM成形K4202鎳基高溫合金試樣，通過光學顯微鏡（OM）、掃描電鏡 (SEM)及X射線衍射（XRD）等理化分析手段，將基于ANSYS生死單元技術的溫度場數(shù)值模擬結果和經(jīng)典凝固理論相結合，揭示了其組織特征及演化規(guī)律：沉積態(tài)表現(xiàn)為外延生長柱狀晶，層間可見層帶組織，頂部出現(xiàn)轉向枝晶和二次枝晶臂，γ'強化相和碳化物的析出受到抑制。

激光選區(qū)熔化；K4202高溫合金；組織特征；演化規(guī)律

0 引言

K4202高溫合金是我國專門為新一代液氧煤油發(fā)動機研發(fā)的新型高溫合金，目前已經(jīng)在我國新一代液氧煤油發(fā)動機關鍵熱端部件得到廣泛應用。基于提質增效的目的，有必要開展激光增材制造技術這項新工藝在液體火箭發(fā)動機上的應用研究。

激光選區(qū)熔化成形技術（selective laser melting，簡稱SLM）作為激光增材制造技術的一種，通過逐層鋪粉，利用高能激光熔化處于松散狀態(tài)的金屬粉末薄層，逐層熔凝堆積，一次性成形出高致密度的三維零件。

國內北京航空航天大學王華明院士團隊、西北工業(yè)大學黃衛(wèi)東教授及林鑫教授團隊在激光增材制造，特別是在激光熔化沉積（Laser melting depostiton，簡稱LMD）高溫合金組織-性能研究方面開展了一定的工作。王華明指出激光增材制造過程中零件長期經(jīng)歷高能激光束的周期性、劇烈、非穩(wěn)態(tài)、循環(huán)加熱和冷卻及其短時非平衡循環(huán)固態(tài)相變或者微熱處理，加熱及冷卻速度極快[1]。黃衛(wèi)東對激光熔化沉積的凝固過程、組織特征及演化規(guī)律、強化機理等問題做了較為細致的研究工作[2]。而本文研究的激光選區(qū)熔化相比激光熔化沉積來說，熱輸入小、溫度梯度高、凝固速度快，冷卻速度高達106K/s，得到的微觀組織和性能均與后者相差甚遠，目前來說國內外在SLM成形高溫合金微觀組織方面研究工作開展得較少。

本文采用優(yōu)化的工藝參數(shù)成形K4202鎳基高溫合金力學性能試樣，通過光學顯微鏡、掃描電鏡及XRD等理化分析手段，以及將基于ANSYS生死單元技術的溫度場數(shù)值模擬結果和經(jīng)典凝固理論相結合,揭示沉積態(tài)微觀組織特征及其演化規(guī)律，以期為后續(xù)熱處理制度研究奠定基礎。

1 實驗材料及方法

本實驗的研究是在NRD-SLM-300B激光選區(qū)熔化成形設備上完成的，該設備由一臺功率為500 W的IPG型光纖激光器、掃描振鏡及聚焦系統(tǒng)、工作缸、刮刀鋪粉裝置、氣體凈化系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成。

粉末粒徑控制在15～45 μm之間，服從高斯分布，平均粒徑接近40 μm。

基板材料為304不銹鋼，尺寸為294 mm× 257 mm×40 mm。實驗前將基板吹砂處理，并用無水乙醇擦洗干凈；在真空條件下對金屬粉末進行烘干處理，減少粉末吸潮的影響。激光選區(qū)熔化成形的工藝參數(shù)如表1所示，成形試樣尺寸為10 mm×10 mm×50 mm：

表1 SLM成形工藝參數(shù)Tab.1 SLM process parameters

組織觀察試樣使用FeCl3:HCl=5 g/50 mL腐蝕液腐蝕20 s，利用光學顯微鏡（OM）和掃描電鏡（SEM）對試樣進行組織特征觀察。采用X射線衍射（XRD）對試樣進行物相分析。

2 SLM沉積態(tài)微觀組織

K4202高溫合金沉積態(tài)組織如圖1所示。清晰可見沿沉積方向外延生長的柱狀晶貫穿多個熔覆層，柱狀晶亞結構大多為沿〈001〉方向取向一致的細小枝晶。這種典型的柱狀晶形貌已經(jīng)在不少激光增材制造有關文獻中得到證實[3-5]，柱狀晶沿著〈001〉方向生長的原因可結合溫度場仿真得到解釋如下：成形初始階段，大部分熱量通過底部基板傳輸出去，在成形過程中，熱量通過已凝固層向下傳導，導致在成形方向上始終形成較大的溫度梯度，枝晶將以與溫度梯度方向最為接近的方向擇優(yōu)生長，對于面心立方的K4202高溫合金基體相γ相來說，其枝晶的擇優(yōu)生長方向正是〈001〉方向。這種外延生長的微觀組織對性能影響非常重要，因為這保證了層與層之間牢固的冶金結合。此外，在層間可以觀察到明顯的層帶組織，層帶結構保證了層與層之間的冶金強度，而且使得枝晶外延生長得到延續(xù)，如圖2所示。西北工業(yè)大學林鑫基于凝固理論對層帶組織做過較為細致的研究，認為成形件底部形成的層帶組織是在高溫度梯度及低凝固速度下平界面凝固生長的結果，成形件中部的層帶結構則是平界面生長受到擾動失穩(wěn)導致的[6]。

圖3 為使用掃描電鏡（SEM）觀察得到的沉積態(tài)試樣微觀組織。從中可看到頂部出現(xiàn)了轉向枝晶和等軸晶。這是由于在試樣最頂端，熔池溫度梯度由上到下轉為基本沿掃描水平方向，導致此處枝晶生長方向發(fā)生改變，且由于溶池頂部溫度梯度減小，發(fā)生了CET轉變。轉向枝晶和等軸晶在每個沉積層的頂部都會形成，但是由于激光每次熔深大約為2～3個鋪粉厚度，大于轉向枝晶和等軸晶厚度，使得其在后續(xù)一層的成形過程中被熔化。所以在試樣底部、中部并未觀察到。

同時，在頂部SEM圖中，可觀察到二次枝晶臂，而在底部并未觀察到。這是由于底部溫度梯度和冷卻速度較大，枝晶外延生長糊狀區(qū)受到高度壓縮，側向分支發(fā)展受到抑制。而在頂部，已凝固層熱累積導致溫度梯度和冷卻速度降低，側向分支的抑制作用得到緩解，二次臂有更長的時間生長，出現(xiàn)如圖4所示的二次枝晶臂。

通過Image pro-plus 6.0圖像分析軟件，測得頂端一次枝晶間距λ1為900 nm，二次枝晶間距λ2為0.5 μm，SLM沉積態(tài)組織枝晶非常細小，這可以由以下凝固理論解釋：枝晶平均一次臂間距 (λ1)跟凝固速度 (v)和溫度梯度 (G)之間通常存在如下關系[7]：

式中a和b為與合金系相關的常數(shù)。

枝晶平均二次臂間距 (λ2)跟凝固速度 (v)和溫度梯度 (G)之間通常存在如下關系[8]：

由于SLM相比于傳統(tǒng)鑄造工藝，具有高溫度梯度和高生長速度的特點，因此其晶粒內部亞結構非常細小。

對試樣進行X射線衍射分析，衍射圖譜如圖5所示。經(jīng)分析，試樣中僅存在γ和γ′兩種物相，可以認為碳化物沒有析出，Ni3(Al,Ti)為K4202合金的強化相γ′相，如圖6所示。相比于鑄態(tài)組織，SLM沉積態(tài)中γ′體積分數(shù)和尺寸均很小。

K4202高溫合金中的γ′相由2種方式形成：一種方式是凝固過程中過飽和基體相γ相在冷卻過程中脫溶相變，絕大多數(shù)γ′相由這種方式生成；另一種方式是凝固過程中枝晶間殘余液相發(fā)生共晶反應，生成γ′相[9]。對于后者來說，由于凝固速度極快，溶質原子擴散速度低于固/液界面推進速度，被快速移動的固相所“捕獲”（稱為溶質截留效應），γ′相形成元素Al，Ti及Ta等大部分被固溶在γ相中，所以相比鑄態(tài)，沉積態(tài)組織中由共晶反應生成的γ′相的含量更少。

北京鋼鐵研究總院的焦蘭英，趙光普等人對GH4202不同固溶溫度后水冷γ′析出量進行了統(tǒng)計，結果表明GH4202合金γ′相的冷卻析出速率很大，即便水冷也不能抑制它的大量析出，1 180℃固溶水冷后，γ′析出量仍達9%左右（正常熱處理γ′含量約為16%）。

為了探究SLM成形熱過程對γ′析出行為的影響，利用ANSYS有限元分析軟件對SLM成形K4202塊體做溫度場數(shù)值模擬，如圖7所示。得出中間一點溫度-時間的關系曲線。可以觀察到：熔池最高溫度超過2 400℃，隨著激光熱源的移動，溫度隨之快速冷卻到500℃。左右，當激光再次熔化相鄰道、相鄰層的時候，溫度又經(jīng)歷快速上升、快速冷卻的過程，最后逐漸穩(wěn)定于270℃附近。

K4202沉積態(tài)組織相當于經(jīng)歷反復“固溶”和短暫“高溫時效”。溫度場數(shù)值模擬結果表現(xiàn)出“固溶”最高溫度和最低溫度相差大、冷速高、過冷度大，由固態(tài)相變脫溶形核理論可知，對于γ′相臨界晶核，其形核率I為：

式中：C0為原始溶質濃度；Cr為γ相的溶質濃度；Cr′為γ′的溶質濃度；D為溶質在γ基體中的擴散系數(shù)；t為時間。

由溫度場數(shù)值模擬結果可知，成形過程冷卻速度極高，這導致溶質擴散系數(shù)顯著減小，因此盡管γ′形核率高，但生長速率慢，只能以極小的尺寸析出。

3 結束語

K4202高溫合金激光選區(qū)熔化成形沉積態(tài)組織表現(xiàn)為外延生長的柱狀晶組織，層間觀察到層帶組織，頂部出現(xiàn)轉向枝晶和二次枝晶臂。由于快速熔化快速凝固的原因，γ′強化相和碳化物形核率高，但析出受到抑制，后續(xù)通過熱處理提升性能的潛力大。

[1]王華明.高性能大型金屬構件激光增材制造：若干材料基礎問題[J].航空學報,2014,35(10)：2690-2698.

[2]黃衛(wèi)東,林鑫,陳靜,等.激光立體成形[M].西安：西北工業(yè)大學出版社,2007.

[3]VILAROA T,COLIN C,BARTOUT J D,et al.Sennour. Microstructural and mechanical approaches of the selective laser melting process applied to a nickel-base superalloy[J].Materials science and engineering A,2012, 534：446-451.

[4]MAISONNEUVE J.Direct manufacturing of aeronautical parts in Ti-6Al-4V and IN718：direct metal deposition and selectivelasermelting[D].France：Mines-ParisTech,2008.

[5]VILARO T.Direct manufacturing of aeronautical parts in Nimonic 263 andA360 through selective laser melting：thermal,microstructural and mechanical approaches[D]. France：Mines Paris Tech,2011.

[6]林鑫,楊海歐,陳靜,等.激光快速成形過程中316L不銹鋼顯微組織的演變[J].金屬學報.2006,42(4)：361-368.

[7]TRIVEDI R,KURZ W.Solidification microstructures：A conceptual approach[J].Acta metallurgica et materialia, 1994,42(1)：15-23.

[8]胡漢起.金屬凝固原理[M].北京：機械工業(yè)出版社,1999：116-130.

[9]王建明,楊舒宇.鎳基鑄造高溫合金[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2014：67-82.

[10]姜曉亞.激光成形修復DZ125合金裂紋形成機理及其控制[D].西安：西北工業(yè)大學,2016.

（編輯：馬 杰）

Microstructure of selective laser melted nickel-based superalloy K4202

ZUO Wei,ZHANG Quanming,WU Wenjie,ZHOU Huaguang
（Xi’an Space Engine Factory,Xi’an 710100,China）

In order to realize the popularization and application of selective laser melting(SLM) innovative process in the liquid rocket superalloy structure,its strengthen mechanism and corresponding heat treatment regime are revealed.The microstructure formation,evolution laws and phase formation characteristics of SLM under rapid solidification condition are discussed and analyzed in this article.The optical micrograph(OM),scanning electron microscopy(SEM),X-ray diffraction (XRD),and ANSYS thermal simulation combining with classic solidification theory were adopted on a K4202 superalloy sample fabricated by SLM to reveal its microstructure characteristics and evolution laws.It was observed that the as-deposited microstructure was out-of-equilibrium,composed of epitaxial elongated columnar crystal paralleling to the deposition direction,but at the top of the SLM sample the dendrites grew along the laser scanning direction and appeared as secondary dendrite arm,and the precipitated phases were inhibited.

selective laser melting;K4202 nickel-based superalloy;microstructure characteristic; evolution law

V261-34

A

1672-9374(2017)01-0055-05

2016-07-27；

2016-10-29

國防科工局技術基礎科研項目（JSJC2013203B016）

左蔚（1991—），男，碩士，研究領域為高溫合金激光增材制造技術