激光直接烧结FGH95高温合金冲击韧性试验研究

蔡 军,赵剑峰

(南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016)

FGH95合金材料晶粒细小、组织均匀、无宏观偏析,其屈服强度高、疲劳性能好,尤其是在高温工作环境下,其冲击韧性显示出其他材料所不具备的优势,是航空发动机零件的最佳材料。目前国内针对FGH95合金的成形工艺主要以热等静压或热等静压+锻造为主[1]。近年来,随着激光快速成形技术在高性能金属材料领域的广泛应用,激光快速成形技术正逐步成为FGH95高温合金材料成形的重要手段[2～5]。

在高能量激光束的照射下,粉末材料经历了熔化-凝固的冶金过程,经激光快速成形制备的制件性能从机理上可优于粉末冶金合金材料。但在现有的研究中,制件性能与粉末冶金合金材料性能尚有一定的差距,一般通过热等静压、高温时效等后处理方法对其性能进行进一步提升[6]。本文基于激光直接烧结快速成形技术,从工艺角度研究了工艺参数对FGH95高温合金制件冲击韧性的影响,并分析该工艺下制件常温和高温冲击韧性的变化及差异。

1 试验

1.1 试验设备及材料

试验采用大功率CO2气体激光器,最大功率2 kW,样件冲击韧性测试设备为JB-300C型冲击试验机,样品微观组织分析采用LEO1530VP扫描电子显微镜。试验用FGH95镍基高温合金粉末材料粒径 45～ 100 μ m,基板选用 45钢。

1.2 试验方法

采用自制专用铺粉机构铺粉,铺粉厚度 0.7 mm,激光光斑直径1.0 mm,激光功率范围为800～1 100 W,扫描速度范围为 0.6～1.2 m/min,扫描间距范围为0.6～1.0 mm。试验无气氛保护,无预热,制件无后续热处理。烧结制件用线切割方法制备成测试样件试样为非标准烧结试样,尺寸为45 mm×10 mm ×5 mm。。

1.3 测试方法

JB-300C型冲击试验机最大冲击能量300 J。常温冲击韧性试验温度为室温20℃,高温冲击韧性试验温度为600℃。试样在电炉箱加热到600℃后保温10 min,开箱取样立即进行冲击试验,从夹持试样到冲击试验时间不超过15 s。

2 试验结果和分析

2.1 工艺参数对冲击韧性的影响

2.1.1 激光功率对冲击韧性的影响

图1显示了试样冲击韧性随激光功率的变化。试样冲击韧性随激光功率的增大而逐渐增大,当激光功率为900 W时高温冲击韧性达到最大值101.82 J/cm2,1 000 W时常温冲击韧性达到最大值109.09 J/cm2,然后随着激光功率的增大而减小。增加激光功率意味着单位时间内粉末材料吸收的激光能量增加,熔池内液态金属的潜热不断增多,在激光束离开后即能量的输入截止后,熔池内潜热的释放延长了液态金属固化过程,降低熔池内温度梯度,有效地抑制液态金属凝固过程中拉伸应力产生的微裂纹,从而提高制件抗冲击的能力。但若激光功率过高,熔池温度达到或超过材料沸点,则大量液态金属蒸发汽化,熔池液态金属量损失导致凝固后体积收缩严重,制件内形成孔洞缺陷,从而导致冲击韧性迅速降低。

图1 冲击韧性随激光功率的变化

2.1.2 扫描速度对冲击韧性的影响

试样的冲击韧性随扫描速度的变化类似于激光功率(图2)。试样冲击韧性随着扫描速度的增大而增大,当扫描速度为1.0 m/min时常温冲击韧性和高温冲击韧性同时达到最大值,分别为71.21 J/cm2和72 J/cm2,之后随着扫描速度的增加而降低。扫描速度的增加直接导致了粉末材料受照射时间的缩短。在激光功率较高的情况下,较快的扫描速度可有效降低熔池潜热,避免液态金属的汽化,同时也可保证熔池内较快的原子扩散速率,有利于提高凝固过程中材料的致密度。但若扫描速度过快,则粉末材料吸收的能量达不到其充分熔化的阈值或液相金属量较少甚至不足以形成熔池,无法充分完成“熔化-凝固”冶金过程,导致制件内含有原始粉末颗粒成分,无法形成致密的冶金结构[7],直接导致制件抗冲击能力降低。

图2 冲击韧性随扫描速度的变化

2.1.3 扫描间距对冲击韧性的影响

试样冲击韧性随扫描间距呈线性递增关系,如图3所示。在扫描间隔0.6～0.8 mm范围内,随着扫描间距的增大,冲击韧性几乎呈线性增大。在小于激光光斑直径的范围内,较小的扫描间距直接导致相邻烧结线重合度的增大,已烧结线将会经历多次重复照射。一方面,多次照射使制件材料的晶粒粗化,另一方面,重复照射所引起的应力释放可能导致已烧结线内部产生裂纹,从而降低制件抗冲击能力[8]。适当增加扫描间距,不仅避免已烧结线减少被照射次数,而且可提高加工效率。

2.2 断裂特征

图4为试样的断口形貌。从图中可看出,常温断口和高温断口形貌基本一致,断面凸凹不平,呈现出典型的韧窝断裂特征。常温断口的韧窝较大、较深,无方向性,有明显的撕裂带(图4a和图4b),而高温断口的韧窝较浅且具有明显的方向性,断口局部可见明显的平台和台阶(图4c和图4d)。

样品在从常温随炉加热至600℃的过程中,其材料相当于经历了一次低温固相烧结。在这个过程中,试样材料晶粒经历固溶、重结晶等过程,晶粒扩散和流动导致试样材料内孔洞缩小,孔隙数量减少,有利于试样材料冲击韧性的提高[9]。但由于制件样品是若干烧结层的冶金叠加,升温过程中发生的晶粒重结晶行为局限于各自层内,使晶粒重结晶的结晶取向垂直于原晶粒生长方向[10],晶粒沿该方向生长并长大,在一定程度上削弱了样品材料的抗剪切能力,致使常温断口出现的撕裂带转变为高温断口的平台和台阶。

断面可见有明显孔洞及裂纹等缺陷,这正是激光快速成形技术所特有的、现阶段尚不能彻底解决的问题。从工艺角度考虑,粉末预热、低气压气氛保护等措施可进一步缓解上述缺陷,从后续处理角度考虑,采用热等静压高温固溶处理+固溶时效处理等方法可消除大部分该缺陷[11]。

3 结论

(1)DLMS各工艺参数均不同程度地影响FGH95合金制件的冲击韧性。在本文试验条件下,通过调整激光功率,所获得的FGH95合金制件常温和高温冲击韧性分别达到109.09 J/cm2和101.82 J/cm2。

(2)基于DLMS工艺的FGH95合金制件,高温冲击韧性与常温冲击韧性随工艺参数的变化趋势一致。在高温环境下,制件内部微缺陷改善所获得的冲击韧性的提高,不足以抵消由于制件内部晶粒变化所导致抗剪切能力的下降。在试验参数范围内,制件高温冲击韧性总体略低于常温冲击韧性。

(3)制件的常温和高温断口均呈韧窝断裂特征,为典型的韧性断裂。制件内微缺陷因高温而得到改善,从而使制件的高温冲击韧性接近于常温冲击韧性。

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