激光熔覆制備GH4169材料的工藝及性能研究*

張 晟，王常浩，呂 帥，郭志威，張 淼，劉淑杰※

（1.大連理工大學(xué)重大裝備設(shè)計研究所，遼寧大連 116024；2.中興通訊股份有限公司天津分公司，天津 300100）

0 引言

激光熔覆又稱激光增材制造技術(shù)，在零件再制造、綠色制造領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。鎳基高溫合金GH4169材料具有優(yōu)秀的物理性能和機(jī)械性能，且加工性能良好，各種形狀以及多種加工難度較高的零部件都可以用該鎳基合金來進(jìn)行加工，在航空航天及石油化工等領(lǐng)域，該材料都有著十分普遍的應(yīng)用。針對該材料的激光型材修復(fù)工藝研究具有重要研究價值。

蔡軍等[1]進(jìn)行常用于航空領(lǐng)域材料FGH95的激光熔覆工藝條件探究，獲得了加工工藝參數(shù)變化對于已修復(fù)試樣金相組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，并且提出了在激光熔覆過程中用來避免缺陷的措施；王輝明等[2]開展關(guān)于航空發(fā)動機(jī)渦輪盤篦齒的激光熔覆實驗，推出一種可實際應(yīng)用的的修復(fù)方法。竇磊等[3]對于某型號航空發(fā)動機(jī)渦輪支承軸座內(nèi)孔磨損故障問題，使用激光熔覆修復(fù)技術(shù)，證明激光熔覆修復(fù)后性能達(dá)到應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)；卞宏友等[4-5]對航空領(lǐng)域普遍應(yīng)用的材料鎳基高溫合金GH4169激光熔覆技術(shù)開展廣泛研究，獲得了激光熔覆過程中工藝參數(shù)變化對于激光熔覆后材料組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律。上述研究均取得了一定的研究成果。

激光熔覆后GH4169合金質(zhì)量要達(dá)到或接近鍛件水平，而激光熔覆技術(shù)加工工藝參數(shù)的變化對制造過程中的熔池尺寸、凝固速度和溫度梯度等均會產(chǎn)生影響，進(jìn)而對熔覆層的金相組織和力學(xué)性能產(chǎn)生影響。所以合理選用激光熔覆工藝參數(shù)，對于取得良好的零部件修復(fù)后性能非常重要。本文主要進(jìn)行激光熔覆技術(shù)制備GH4169材料薄壁試樣性能分析，通過靜載力學(xué)實驗，分析不同工藝參數(shù)對其物理機(jī)械性能的影響。

1 GH4169激光熔覆制造工藝參數(shù)選擇

1.1 研究材料與實驗設(shè)備

本文以鎳基高溫合金GH4169作為研究對象。GH4169合金是以體心四方的γ"和面心立方的γ′相沉淀強(qiáng)化的鎳基高溫合金，國外牌號為Inconel718。它在-253～700℃的溫度范圍內(nèi)擁有非常良好的綜合性能，650℃以下的屈服強(qiáng)度在變形高溫合金之中排首位，并且擁有良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧化、耐腐蝕性能，還有著良好的加工性能、焊接性能和長期組織穩(wěn)定性，可以用于制造各種各樣形狀復(fù)雜的零部件，在航空、核能、石油化工等行業(yè)中，在上述溫度范圍內(nèi)有著非常廣泛的應(yīng)用。

激光熔覆實驗使用的粉末材料是GH4169球形粉末，粉末粒度范圍為53～150 μm，粉末化學(xué)成分比例如表1所示。為了避免粉末中所含水分造成粉末粘結(jié)，影響熔覆層質(zhì)量，對其進(jìn)行烘干處理，烘干工藝為：120℃烘干2 h。實驗中使用GH4169合金鍛件為基體材料，尺寸為120 mm×60 mm×10 mm。在金相組織檢測前，使用王水溶液對試樣表面進(jìn)行腐蝕[6]。

表1 GH4169合金粉末成分

使用大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院可持續(xù)設(shè)計與制造研究所搭建的激光熔覆制造系統(tǒng)上完成本激光熔覆試驗，如圖1所示。該系統(tǒng)由以下5個設(shè)備組成。

圖1 激光增材制造系統(tǒng)

（1）使用的半導(dǎo)體激光器是來自于Laserline公司，型號為LDF4000-100，它可以發(fā)射的最大激光功率為4 400 W，擁有高達(dá)45%的光電轉(zhuǎn)換效率，能夠發(fā)射波長范圍在900～1 070 nm的激光。

（2）使用來自于KUKA公司六軸工業(yè)機(jī)械手KE30HA完成同軸激光熔覆頭多自由度移動，進(jìn)而進(jìn)行多角度激光熔覆。

（3）同軸激光熔覆頭型號是Precitec YC52，該熔覆頭具有堅固且緊湊的結(jié)構(gòu)，適用于較高的激光功率，能夠?qū)崿F(xiàn)比較好的過程重復(fù)性。

（4）采用來自于煜宸科技有限公司的RC-PF-01B-2型負(fù)壓式氣載送粉系統(tǒng)，送粉質(zhì)量相對誤差可以控制在單位時間1%以內(nèi)。

（5）所使用的精密冷水機(jī)采用來自于同飛制冷設(shè)備有限公司生產(chǎn)的MCWL-150T-01AK1S4，用來冷卻激光熔覆頭和半導(dǎo)體激光器，并且控制其溫度范圍15～50℃。

除了以上設(shè)備組成的激光熔覆系統(tǒng)之外，還需要使用金相變頻磨拋機(jī)和尼康光學(xué)顯微鏡（MA 100）對試件進(jìn)行打磨、拋光和金相微觀組織觀測。

1.2 工藝參數(shù)確定

本實驗要根據(jù)良好的單道單層激光熔覆工藝參數(shù)來制備鎳基高溫合金GH4169薄壁試樣，單道單層激光熔覆層質(zhì)量對單道多層激光熔覆層質(zhì)量有著非常重要的影響，選擇良好的單道單層工藝條件可以避免薄壁試件產(chǎn)生裂痕、孔洞等缺陷，因此首先需要選擇良好的單道單層激光熔覆制造工藝條件。在激光熔覆過程中激光功率、掃描速度和送粉量等3個工藝參數(shù)對熔覆層質(zhì)量影響是最大的。一般而言，激光功率增加會使溫度增加，進(jìn)而增加粉末融化量；掃描速度增加會減少單位時間內(nèi)粉末受照射溫度，粉末融化量減少致使空洞增加。因此需要選用不同激光功率、掃描速度和送粉量這3個工藝參數(shù)配比制造單道單層激光熔覆試樣，分析試樣金相微觀組織，根據(jù)試樣的微觀金相組織選擇組織均勻致密、成型效果好試樣的工藝參數(shù)，用來制備薄壁試樣。

根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)對于鎳基高溫合金GH4169激光成形工藝參數(shù)的研究[7-8]，結(jié)合本實驗使用的激光熔覆制造系統(tǒng)，選擇進(jìn)行實驗的激光功率范圍P=800～2 000 W，掃描速度范圍vS=4～8 mm/s，固定送粉速度為vf=9 g/min。根據(jù)正交試驗法對實驗參數(shù)進(jìn)行分配，對比實驗的工藝參數(shù)組合如表2所示。

表2 對比實驗工藝參數(shù)組合

使用表2中所示工藝參數(shù)進(jìn)行激光熔覆，獲得9個單道單層熔覆試樣，如圖2所示。用序號1～9表示通過不同工藝參數(shù)制備的激光熔覆試樣。

圖2 單道激光熔覆層形貌

首先對激光熔覆后板材進(jìn)行線切割切取試樣，使用亞克力樹脂進(jìn)行鑲件，然后使用金相變頻磨拋機(jī)對試樣進(jìn)行打磨和拋光，最后使用王水溶液進(jìn)行化學(xué)腐蝕制作成金相樣品，如圖3所示。

圖3金相樣品

圖4所示為通過9種工藝參數(shù)組合制備的激光熔覆試樣微觀金相組織。通過對試樣熔覆層微觀組織進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在試樣5的工藝參數(shù)下：激光功率1 400 W、掃描速度6 mm/s、送粉量9 g/min，熔覆層枝晶細(xì)密并且分布均勻，所以使用這個工藝參數(shù)組來加工GH4169合金單道多層薄壁試樣。

圖4 9種工藝參數(shù)激光熔覆試樣微觀組織

2 激光熔覆GH4169合金性能表征實驗

想要激光熔覆修復(fù)材料性能要求達(dá)到甚至超過新品，那么材料的拉伸性能對其使用性能產(chǎn)生了決定性作用。因此為了測試修復(fù)后材料性能是否可以達(dá)到預(yù)期的需求，需要檢測其拉伸性能。

選擇第1.2節(jié)確定的制造工藝參數(shù)：激光功率1 400 W，掃描速度6 mm/s，送粉率9 g/min。在上述工藝參數(shù)下，選擇往復(fù)式掃描方式制備薄壁試件，激光頭每次抬升量0.2 mm，利用激光熔覆技術(shù)制造鎳基高溫合金合金GH4169薄壁試樣，如圖5所示。對圖中薄壁試樣進(jìn)行線切割和拋光，獲得拉伸試驗標(biāo)準(zhǔn)試樣，拉伸實驗標(biāo)準(zhǔn)件尺寸及加工后所獲得的拉伸試樣如圖6所示，拉伸試樣尺寸參照《GB/T228.1-2010金屬材料室溫拉伸實驗方法》[10]設(shè)計，對激光熔覆拉伸試樣進(jìn)行雙時效熱處理來消除制造過程中所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。對熱處理后的試樣進(jìn)行室溫拉伸實驗，因此可以獲得試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后延伸率等物理力學(xué)性能。

圖5 激光增材制造GH4169合金薄壁試樣

圖6 拉伸試樣

目前鎳基高溫合金GH4169具有3種使用廣泛的熱處理方式[9]：時效處理、固溶處理、直接時效處理。根據(jù)使用場合的不同來使用不同的熱處理方式，熱處理可以提高鎳基高溫合金GH4169的抗拉強(qiáng)度、抗沖擊性能，并且消除合金缺口敏感性和加工制造時產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。本文采用直接時效熱處理：首先在720±10℃溫度下時效處理8 h，然后以50℃/h的速度爐冷至620±10℃，并且在這個溫度下時效處理8 h，最后空冷至室溫。按照這個熱處理制度對材料進(jìn)行處理后，材料中的δ相較少，可以增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和沖擊性能。

3 拉伸實驗及結(jié)果分析

室溫拉伸實驗標(biāo)準(zhǔn)同樣參照參考文獻(xiàn)[10]，測試激光熔覆制造試樣的拉伸性能。對拉伸試樣進(jìn)行直接時效熱處理。使用國產(chǎn)WDSl00型電子萬能材料試驗機(jī)進(jìn)行室內(nèi)拉伸試驗，試驗中所加載拉伸速率為2 mm/min，使用引申計記錄試件標(biāo)距位移的變化。

通過獲得的拉伸曲線，計算出激光熔覆GH4169合金拉伸試樣力學(xué)性能。首先使用拉伸實驗獲得的實驗數(shù)據(jù)計算出應(yīng)力應(yīng)變值，然后通過計算擬合出試樣真應(yīng)力-應(yīng)變曲線，接下來通過曲線得到激光熔覆后材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等參數(shù)。通過測量拉伸斷裂后試件標(biāo)距長度計算材料斷后延伸率。激光熔覆GH4169合金拉伸試樣熱處理后室溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖7所示。由圖可看出，在對激光熔覆GH4169合金拉伸試樣進(jìn)行熱處理后其屈服強(qiáng)度為1 052 MPa，抗拉強(qiáng)度為1 314 MPa，斷后延伸率為12.5%。根據(jù)中國航空材料工業(yè)手冊得知GH4169直接時效熱處理后抗拉強(qiáng)度為1 240 MPa，激光熔覆制造后材料抗拉強(qiáng)度為原始材料的105.9%，性能良好。

圖7 真實應(yīng)力應(yīng)變曲線

4 結(jié)束語

本文主要研究了鎳基高溫合金GH4169激光熔覆工藝參數(shù)變化對激光熔覆成型層微觀組織的影響，選擇良好的激光熔覆工藝參數(shù)制備薄壁試樣，并測量激光熔覆試樣力學(xué)性能。使用對比實驗來研究9種不同的激光功率、掃描速度和送粉量等加工工藝參數(shù)配合對激光熔覆成型層微觀組織的影響。通過分析獲知在激光功率1 400 W、掃描速度6 mm/s、送粉量9 g/min時，激光熔覆成形層微觀組織分布均勻細(xì)密，質(zhì)量較好。由此選擇該組工藝參數(shù)，制備GH4169合金拉伸試樣，并對其進(jìn)行熱處理。通過拉伸實驗獲知，熱處理后抗拉強(qiáng)度為1 314 MPa，根據(jù)中國航空材料工業(yè)手冊得知GH4169直接時效熱處理后抗拉強(qiáng)度為1 240 MPa，激光熔覆制造后材料抗拉強(qiáng)度為原始材料的105.9%，性能良好。