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大连理工大学在激光选区熔化制备GH4099高温合金领域取得新突破

2023-02-27 16:34:14  来源:3D打印技术参考    

  GH4099高温合金是一种典型的沉淀硬化镍基高温合金。γ′相(γ′-Ni3(Al,Ti))作为合金的主要强化相,对GH4099高温合金的强化起主要作用。此外由于W、Mo和Co元素的固溶强化,GH4099高温合金在800-900℃时表现出优异的热稳定性,广泛应用于复杂形状高温航空航天结构零件,如航空发动机燃烧室等。但传统的加工方法无法实现复杂结构零件设计加工,制约了GH4099高温合金的应用。选区激光熔化(SLM)技术可以实现复杂结构零件的整体成形,为GH4099高温合金高性能构件的设计制造提供了新的解决方案。

  选区激光熔化技术具有较高的加热熔化和冷却凝固速率,可以显著减少元素偏析,抑制γ-γ′共晶相的析出,为制备具有精细微观组织和优异力学性能的合金提供快速凝固条件。SLM过程中金属粉末的快速加热和冷却,沉积时GH4099中产生的残余应力容易引起零件的变形。因此为消除残余应力,改善SLM制备GH4099高温合金的组织和力学性能,必须采用合适的热处理工艺。对于SLM制备GH4099高温合金,温度和时间是影响热处理过程中γ′相析出的重要因素。然而对SLM制备GH4099高温合金组织演变和力学性能的研究较少,热处理对γ′相析出行为的影响也未见研究。

  大连理工大学材料科学与工程学院在激光选区熔化制备GH4099高温合金领域取得新突破,通过SLM和不同热处理制度制备出抗拉强度超过1200MPa (延伸率约40%)的高温合金。

  这项研究采用SLM工艺制备了GH4099高温合金,直接打印样品的显微组织主要为外延生长的柱状晶粒,γ-γ′共晶相的形成受到抑制。固溶处理后,熔池边界和枝晶形态消失,位错密度明显降低。时效处理后在基体中析出了尺寸约为10 nm的γ′相,从而提高了拉伸性能。此外,揭示了SLM GH4099高温合金的显微组织与屈服强度之间的对应关系。讨论了不同强化机制对固溶处理和时效合金力学行为的影响。为SLM工艺制备高性能GH4099高温合金零件提供理论指导。

(a) GH4099高温合金粉末形貌和(b)尺寸分布

打印样品三维光学显微组织结构

  (a)沉积态样品XZ面SEM图像;(b)枝晶结构放大图;(c)胞状结构;(d) 枝晶结构的EDS线扫数据

  热处理合金样品的OM和SEM图:(a, b)固溶处理合金样品;(c-e)合金样品在低温下长时间时效;(f-h)中温中时间时效合金;(i-k)高温短时间时效

  不同合金EBSD图:(a)沉积态合金样品;(b)固溶处理合金样品;(c)长时间低温时效合金样品;(d)在中温度、中时间时效的合金;(e)短时间高温时效的合金;(f)不同合金的晶粒尺寸分布

  不同热处理条件下SLM制备GH4099高温合金的室温拉伸性能:(a)极限抗拉强度和屈服强度;(b)断面伸缩率和延伸率

  这项工作的增材制造高温合金在室温和高温下的拉伸性能与文献的比较

位错强化和析出强化机制对不同合金屈服强度的贡献

计算不同强化机制对GH4099高温合金屈服强度的贡献值

  简而言之,这项研究系统地调查了热处理对SLM制备GH4099高温合金微观组织和力学性能的影响。研究结果表明SLM制备的GH4099高温合金显微组织主要由外延生长的柱状晶组成,枝晶沿打印方向外延生长,平均枝晶臂间距约为400 nm。1110℃固溶处理后的样品未完全发生静态再结晶,γ-γ′共晶相和γ′相的析出受到抑制。随着时效时间和温度的增加,γ′相的平均尺寸逐渐增大,析出强化效果增大。800℃时效8 h的GH4099合金表现出优良的综合力学性能,室温抗拉强度和伸长率分别为1214.2 MPa和39.1%。

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