激光立體成形Inconel718高溫合金顯微組織的研究

趙衛衛

摘 要：本文采用金相顯微鏡（OM）微觀測試手段研究了激光立體成形Inconel718的組織特征，結果表明：激光立體成形Inconel718沉積態組織細密、均勻，呈現出沿沉積方向外延柱狀生長，并貫穿多個沉積層的枝晶組織特征。

關鍵詞：激光立體成形 Inconel718 沉積態 組織

中圖分類號：TG665；0532+.25 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（a）-0015-01

激光立體成形（Laser Solid Forming，LSF）技術是從20世紀80年代初期發展起來的一項先進制造技術，能夠實現高性能復雜結構金屬零件的無模具、快速、全致密近凈成形，近年來，隨著該研究的不斷深入和發展，激光立體成形技術得到了國內外的高度重視，在航空、航天、船舶、汽車、能源、機械、醫學、動力領域復雜整體構件的高性能直接成形和快速修復等領域都有著廣闊的應用前景[1]。

Inconel718（國內牌號GH4169）高溫合金在-253℃～700℃溫度范圍內具有良好的綜合性能，650℃以下具有屈服強度高、塑性好的特點，在航空航天領域應用廣泛[2]。采用精密鑄造、精密塑性成形等傳統方法成形Inconel718高溫合金，存在加工周期較長、柔性化較差等不足，同時，鍛造Inconel18合金不易成形復雜零件，而鑄件一般力學性能低，特別是當鑄錠尺寸較大時，容易產生嚴重的偏析[2～4]。激光立體成形技術作為一種材料凝固成形新技術，低成本、短周期、高柔性、快響應等諸多優點使其成為一種具有競爭力的Inconel718成形方法。本實驗研究了激光立體成形Inconel718的沉積態組織特征，將為推進激光立體成形Inconel

718的工程化應用提供實驗依據。

1 實驗材料和方法

本實驗在西北工業大學凝固技術國家重點實驗室的激光立體成形系統上完成，該系統由德國Rofin公司的RS850型5 kW連續CO2激光器、DPSF-1型高精度可調自動送粉器、LPM-408四軸三聯動數控工作臺、側向送粉噴嘴、三維CAD建模及分層軟件、FAGOR數控軟件等組成。實驗中基材為45#鋼，實驗所用粉末為等離子旋轉電極法（Plasma Rotation Electrode Powder， PREP）制備的Inconel718球形粉，尺寸約為-100目～+150目，其化學成分見表1。激光立體成形工藝參數為：激光功率2～ 2.3kW，光束掃描速度360～480 mm/min，送粉率5～8 g/min，光斑直徑3 mm，Z軸增量0.3～0.5 mm。成形試樣沿垂直光束掃描方向用電火花線切割切開，對獲得的試樣進行打磨、拋光后，采用鹽酸過氧化氫水混合液（H2O∶H2O2∶HCl=1∶1∶2）腐蝕劑腐蝕試樣。

2 分析與討論

激光立體成形時，材料受到的是運動式點熱源瞬間高能加熱及快速冷卻的作用，因此，成形件的組織特征必然不同于常規的鑄造組織。同時，Inconel718又屬于多元合金化的高溫合金，在激光立體成形中很可能存在復雜的組織及相變過程，因此本文首先對Inconel718沉積態的組織進行了初步研究。

在基材為45#鋼上激光立體成形Inconel718高溫合金塊狀試樣研究發現，試樣表面平整，表面無肉眼可見裂紋，如圖1所示。圖2給出了Inconel718高溫合金激光立體成形件在垂直光束掃描方向上的橫截面光學顯微組織。圖2（a）顯示了平行于掃描方向的層帶結構，沉積層間出現一條一條的弧線，兩弧線的間距即為單層沉積層層高，是典型的層帶現象。正是因為層帶形態的存在，才使得各層沉積層清晰可辨[5]。從圖2（b）中可以看出，激光立體成形Inconel718沉積態組織由沿沉積方向的外延生長柱狀枝晶構成，其基本的顯微組織是定向凝固柱狀晶結構，同時還可以看到，這些柱狀晶組織可以從前一層沉積層延續到下一層，垂直于掃描方向趨向沿沉積方向進行多層連續生長，貫穿多個沉積層，在不同沉積層之間呈現出典型連續柱狀晶結構。從沉積態金相照片也顯示出激光立體成形Inconel718組織致密、沒有疏松。層帶形態是Inconel718激光立體成形的典型特征之一，其形成原因在于激光立體成形的層狀堆積成形，層帶結構是在激光立體成形熔池的凝固過程中形成的，是由于層帶狀結構內部和外部組織差異的原因造成的[5]。

3 結論

激光立體成形Inconel718高溫合金沉積態組織呈現出沿沉積方向外延柱狀生長，并貫穿多個沉積層的枝晶組織特征，沉積層存在明顯的層帶現象。由于激光快速熔凝所具有的高梯度、高速度的凝固特征，所得組織細密、均勻。

（致謝：本文受江漢大學機電與建筑工程學院院級科研項目（No.機建SY013[2013]）的資助，以及林鑫教授的指導與幫助，在此表示感謝。）

參考文獻

[1] 黃衛東.激光立體成形[M].西安：西北工業大學出版社，2007.

[2] 黃乾堯，李漢堂.高溫合金[M].北京：冶金工業出版社，2000.

[3] 白秉哲，楊魯義，趙耀峰.GH4169合金“等溫鍛造+直接時效”工藝探討[J].稀有金屬，2002，26（1）：7-32.

[4] 李愛蘭，湯鑫，蓋其東，等.熱處理工藝對K4169合金微觀組織的影響[J].航空材料學報，2006，26（3）.

[5] 昝林.激光快速成形TC21鈦合金的組織和力學性能研究[D].西北工業大學，2007.