激光熔覆INCONEL 718合金涂層的成分偏聚與強(qiáng)化機(jī)理研究.pdf

1、激光熔覆技術(shù)以其高的能量密度和加工精度、寬泛的材料選擇及良好的冶金結(jié)合界面等特點(diǎn)成為再制造工程的關(guān)鍵技術(shù)之一。再制造工程是以延長(zhǎng)具有高附加價(jià)值零件使用壽命為出發(fā)點(diǎn),同時(shí)以提升廢舊零件表面性能為目的,契合構(gòu)建循環(huán)經(jīng)濟(jì)的國(guó)家戰(zhàn)略需求。激光熔覆層晶粒生長(zhǎng)取向良好,優(yōu)于鑄鍛合金力學(xué)性能,在發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)渦輪葉片等零件的修復(fù)再制造等方面具有廣闊應(yīng)用前景。
　　本文面向再制造工程,以激光熔覆鎳基高溫合金涂層為研究對(duì)象,主要研究?jī)?nèi)容有:激光熔覆

2、涂層的制備及組織分析,冷卻速度對(duì)熔覆層組織形態(tài)和成分偏聚的影響規(guī)律;多層堆積過(guò)程中的組織定向生長(zhǎng)行為及多層堆積熔覆層中裂紋形態(tài)及裂紋敏感性因素分析;熱處理對(duì)熔覆層組織、成分偏聚和力學(xué)性能的影響,揭示成分偏聚行為與熔覆層強(qiáng)韌化機(jī)制的關(guān)系。主要的研究結(jié)果有:
　　采用優(yōu)化工藝參數(shù)可制備成形良好、稀釋率低、無(wú)缺陷且與基體冶金結(jié)合良好的激光熔覆INCONEL718合金涂層。在熔覆過(guò)程中,最大溫度梯度方向從熔覆層底部的垂直于基材表面轉(zhuǎn)變?yōu)槿?/p>

3、覆層頂部的趨近平行于激光行走方向。熔覆層橫截面從底部到頂部依次形成平面晶、胞狀晶、樹枝晶和等軸晶形態(tài)組織。熔覆涂層的析出相 Laves相內(nèi)偏聚大量 Nb和Mo,碳化物和氮化物中偏聚大量Nb和Ti。
　　通過(guò)提高冷卻速度,可減小熔池中成分過(guò)冷Cs和增大溫度梯度Gm,使熔覆層中樹枝晶間Laves相細(xì)化且含量減少,可抑制Nb偏聚程度并提高熔覆層中Nb的固溶強(qiáng)化作用。液氮強(qiáng)制冷卻涂層中Laves相含量約為3.5 vol.％,Laves相中

4、Nb含量約為8.5~14 mass.%,均顯著低于空冷涂層,而奧氏體中Nb含量約為3.5~7.5 mass.%,明顯高于空冷涂層,顯著改善了熔覆層中Nb的偏聚程度。
　　激光重熔涂層中有尺寸約0.2~0.9μm的顆粒狀Nb(Al, Ti)復(fù)合相在Laves相處于999℃析出。顆粒相析出是由于過(guò)飽和的Laves相在凝固冷卻過(guò)程中連續(xù)自發(fā)地分解后粗化長(zhǎng)大形成,Laves相中的Al和Ti上坡擴(kuò)散到顆粒相中,使Al和Ti偏聚于顆粒相中。熔

5、覆層中顆粒狀碳化物(Nb0.12Ti0.88)C1.5和四方狀氮化物(Nb0.88Ti0.12)N1.5的形成是由于極大過(guò)冷度和溫度梯度使過(guò)飽和合金元素在碳化物/氮化物和 Laves相中相互擴(kuò)散和再分布,使富集 Ti和 Nb的碳化物和氮化物在Laves相處析出。碳化物和氮化物的平均硬度和彈性模量均遠(yuǎn)高于奧氏體,因切割機(jī)制引起的第二相強(qiáng)化作用為134.34 MPa。
　　通過(guò) EBSD分析發(fā)現(xiàn)堆積熔覆層底部橫截面樹枝晶組織具有沿堆積

6、方向較強(qiáng)的織構(gòu)取向,堆積過(guò)程中樹枝晶粗化且枝晶間距增大;在底部水平截面,晶粒受循環(huán)熱作用形成了較弱織構(gòu)特征的組織,大部分晶粒的生長(zhǎng)方向受最大溫度梯度影響而趨近于<100>方向。熔覆層橫截面中間區(qū)域組織主要為受最大溫度梯度方向控制,且沿堆積方向定向生長(zhǎng)的柱狀晶,熔覆層晶粒沿<001>方向形成晶界取向差約2°的強(qiáng)織構(gòu)組織。熔覆層組織在頂部橫截面沿<001>方向生長(zhǎng)且具有小角度晶界取向和大晶粒尺寸特征;在熔覆層頂部水平截面,晶粒受最大溫度梯度

7、影響形成強(qiáng)織構(gòu)組織。
　　堆積熔覆層中的裂紋為結(jié)晶裂紋和液化裂紋。橫向拉應(yīng)力可使尖端處存在應(yīng)力集中的熔覆缺陷和小液化裂紋,在粗大Laves相和碳化物共晶處,沿堆積方向和激光熔覆方向擴(kuò)展,液態(tài)金屬來(lái)不及填充開裂的枝晶間隙,裂紋末端在熔覆層頂部和熔覆結(jié)束點(diǎn)愈合,而形成液化裂紋。熔覆層中低熔點(diǎn)粗大連續(xù)Laves相或碳化物共晶均可為液化裂紋提供擴(kuò)展通道;熔覆層中隨堆積層數(shù)增加而增大的橫向殘余應(yīng)力可誘發(fā)小裂紋擴(kuò)展而增加裂紋敏感性。
　

8、　熔覆層中只有少部分Nb以γ″-Ni3Nb析出,由于冷卻速度不夠快,熔覆層中起固溶強(qiáng)化作用的大部分Nb嚴(yán)重偏聚而形成大量Laves相。高溫固溶可使Laves相中的Nb重溶到奧氏體γ中,在時(shí)效過(guò)程中以尺寸為15~25 nm的γ″-Ni3Nb在晶內(nèi)彌散析出,其與γ之間存在高錯(cuò)配度,提高熔覆層的力學(xué)性能。熱處理前后熔覆層中Laves相含量及Laves相中Nb含量沿堆積方向增加,熔覆的循環(huán)熱和熱處理作用使部分Laves相分解,Laves相與γ間

9、的濃度梯度、熔覆晶格缺陷和殘余應(yīng)力均可在高溫條件下促進(jìn)元素?cái)U(kuò)散和Laves相的溶解。
　　標(biāo)準(zhǔn)熱處理熔覆層的室溫拉伸強(qiáng)度達(dá)1334 MPa,高于熔覆態(tài)涂層的918 MPa,亦高于鍛造和鑄造合金;熔覆層斷裂方式為穿晶斷裂。標(biāo)準(zhǔn)熱處理熔覆層的650℃高溫拉伸性能高于980STA態(tài)熔覆層和直接時(shí)效態(tài)熔覆層?？棙?gòu)組織的形成引起熔覆層力學(xué)性能各向異性。標(biāo)準(zhǔn)熱處理態(tài)堆積熔覆層沿堆積方向在650℃拉伸強(qiáng)度為938 MPa,與鍛造合金高溫拉伸性能