1 引言

选区激光熔化(SLM)技术是20世纪90年代中期发展起来的一项激光快速成形技术,采用高能激光束选择性地照射并熔化金属粉末,可直接获得具有良好冶金结合、致密度接近100%的实体零件,不需要或仅需少量的后处理过程,就能实现材料的净成形或近净成形^[1-2]。由于高能激光束的作用,成形时粉末材料完全熔化,所以该技术不仅能成形钛合金^[3]、不锈钢^[4]、铝合金^[5]、高温合金^[6-7]等合金材料,还能成形纯金属材料,具有广泛的成形适用范围。

GH4169是一种沉淀强化的镍基变形高温合金,具有良好的抗氧化性、抗疲劳性、抗蠕变性及较好的耐高温强度^[8],已广泛应用于航空航天发动机的高温部件, 并成为航空航天工业中应用最广泛的高温合金^[9-10]。国内外学者对选区激光熔化成形GH4169的研究,主要集中在不同选区激光熔化工艺参数对GH4169成形件微观组织和拉伸性能的影响^[11-12],但冲击韧性也是高温合金应用的重要性能之一^[13-14],而对选区激光熔化成形GH4169制件的冲击韧性研究的报道较少。本文以GH4169粉末为材料,研究了该合金的选区激光熔化成形工艺的显微组织和冲击韧性。

2 试样制备与试验方法

本实验采用的GH4169粉末化学成分如表1所示,形貌如图1所示。

在采用400 W单模光纤激光器作为能量源的易加三维(E-plus-3D)设备上进行选区激光熔化成形试验。采用不同的激光功率P(200,230,260,290,320,350 W)及扫描速度ν(0.6,0.9,1.2,1.5,1.8,2.1 m∙s^-1)进行阵列试验来成形试块,试块尺寸为10 mm×10 mm×5 mm,垂直于铺粉层的方向为成形方向;依据光学显微镜下成形试块的微观组织及试块致密度测试结果,挑选出3个较优的工艺参数进行冲击试样的增材制造,并用扫描电子显微镜观察3个较优工艺参数下的微观组织。

图 1. GH4169粉末形貌

Fig. 1. Powder morphology of GH4169

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采用选区激光熔化技术成形GH4169粉末的工艺参数如表2所示,所成形的冲击韧性试样尺寸为12 mm×12 mm×57 mm。对成形后的GH4169进行标准热处理试验:980 ℃保温1 h,空冷至室温,再725 ℃保温8 h,然后以50 ℃/h的冷却速度冷却至620 ℃保温8 h,最后空冷至室温。依据Q/6S977—2004中图号为M2504-S038(尺寸如图2所示,单位为mm)的模型,将冷却至室温的样品加工成U型冲击试样,如图3所示。

图 2. 图号为M2504-S038的U型冲击试样尺寸

Fig. 2. U-shaped impact specimen size with picture number of M2504-S038

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图 3. 加工的试样

Fig. 3. Processed samples

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3 试验结果与讨论

选用3组工艺参数成形的10 mm×10 mm×5 mm GH4169试样的微观组织如图4所示。图4(a)、(b)、(c),图4(d)、(e)、(f),图4(g)、(h)、(i)分别为第1、第2、第3组工艺参数下GH4169成形试样10 mm×10 mm平面在不同放大倍率下的微观组织。由于选区激光熔化的成形方式为层层叠加,因此可以清晰地观察到层状结构的熔池形貌。3组工艺参数下成形试块的熔池形貌较为规则,均未发现沉积层之间的结构孔洞,相邻扫描轨迹的熔池截面也呈现良好的冶金结合。

图 4. 不同参数下GH4169成形试样的微观组织

Fig. 4. Microstructure of GH4169 samples with different parameters

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为了进一步表征试样的微观结构,在高放大倍率下观察典型位置的微观组织。在图4(c)、(f)、(i)所示的高倍放大的微观结构中观察到成形样品中定向凝固的柱状晶体结构均匀排列。

在选区激光熔化过程中,激光产生的大部分热通过先前凝固的材料或者基板散失,这为在相反的散热方向上生长柱状枝晶提供了热力学条件。由于熔池中各个位置的冷却速度在凝固过程中保持相对平衡,因此熔池中形成了大量的柱状枝晶,最终形成如图4(c)所示的柱状枝晶簇。该定向凝固的细化柱状晶组织与文献[ 15]中在激光线能量密度为最佳值时观察到的微观组织类似。随着激光功率和扫描速度的增加,激光作用在熔池产生更多的热量,熔池中液相温度迅速上升,热量积聚带来的内能和热动力学能的提升为柱状枝晶的外延生长提供了形核和生长的驱动力,使得枝晶逐步细化,形成了定向连续生长的柱状树枝晶组织,如图4(f)、(i)所示。

从图5可以看出,第1组工艺参数下成形试样的室温韧性值最大,平均值为43.9 J/cm²,第2组工艺参数和第3组工艺参数下成形试样的室温韧性值的平均值分别为32.1 J/cm²和30.8 J/cm²。随着激光功率和扫描速度在一定范围内增大,冲击韧性值不断降低。

图 5. 不同工艺参数下试样的室温冲击韧性值

Fig. 5. Impact toughness at room temperature with different process parameters

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3组参数下试样的断口形貌如图6所示,可以观察到试样的剪切断口平滑,断口具有明显的穿晶断裂特征。对其断口进行放大,可在其部分塑坑的底部看到一些碎裂的碳化物,但裂纹没有向周围的基体扩展,说明试样都具有良好的塑性,微裂纹形成后其前端出现的集中应力可通过塑性变形扩散,使裂纹钝化,难以扩展。这是因为GH4169合金是典型的沉淀强化型合金,塑性变形过程中沉淀相对位错运动的阻碍作用是其主要强化方式。当合金中的强化相尺寸较小时,其对位错运动的阻碍作用并不大,动态载荷下变形时,多个滑移系能够同时开动,此时合金具有较强的塑性变形能力。

图 6. 不同工艺参数下GH4169冲击试样的断口形貌

Fig. 6. Fracture morphology of GH4169 impact toughness samples under different process parameters

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4 结论

在优选的选区激光熔化工艺参数范围内,可以清晰地观察到GH4169冲击试样层状结构的熔池形貌,成形试样中定向凝固的细化柱状晶组织均匀排列。在工艺参数P=260 W,ν=900 mm/s的条件下,GH4169试样的室温韧性值为43.9 J/cm²,且随着激光功率和扫描速度的增大,冲击韧性值不断降低,冲击试样断口有明显的穿晶断裂特征。