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行腐蝕[6]。

表1 GH4169合金粉末成分

使用大連理工大學(xué)機械工程學(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)機械手KE30HA完成同軸激光熔覆頭多自由度移動，進而進行多角度激光熔覆。

（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和尼康光學(xué)顯微鏡（MA 100）對試件進行打磨、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行線切割切取試樣，使用亞克力樹脂進行鑲件，然后使用金相變頻磨拋機對試樣進行打磨和拋光，最后使用王水溶液進行化學(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行室溫拉伸實驗，因此可以獲得試樣的抗拉強度、屈服強度、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行處理后，材料中的δ相較少，可以增強材料的強度和沖擊性能。

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[10]，測試激光熔覆制造試樣的拉伸性能。對拉伸試樣進行直接時效熱處理。使用國產(chǎn)WDSl00型電子萬能材料試驗機進行室內(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度、抗拉強度等參數(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合金拉伸試樣進行熱處理后其屈服強度為1 052 MPa，抗拉強度為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度為1 240 MPa，激光熔覆制造后材料抗拉強度為原始材料的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，并對其進行熱處理。通過拉伸實驗獲知，熱處理后抗拉強度為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度為1 240 MPa，激光熔覆制造后材料抗拉強度為原始材料的105.9%，性能良好。