均匀化热处理对电弧增材制造GH4169合金组织影响.pdf

第期(总第 期)年 月机 械 工 程 与 自 动 化ME CHAN I C A LE N G I N E E R I N G&AUT OMA T I ONN o D e c 文章编号:()均匀化热处理对电弧增材制造GH 合金组织影响郑新蓉,温东旭,吴和保,李建军,(华中科技大学 材料科学与工程学院 材料成形与模具技术国家重点实验室,湖北武汉 ;武汉工程大学 机电工程学院,湖北武汉 ;绵阳大器科技有限公司,四川绵阳 ;湖北黄石模具产业技术研究院,湖北黄石 )摘要:采用电弧增材制造工艺成形GH 合金,研究了不同均匀化工艺条件对沉积态GH 合金微观组织的影响.研究结果显示:当均匀化热处理温度为 时,随着保温时间的延长,沉积态柱状晶逐渐转变为等轴晶,平均晶粒尺寸呈逐渐长大趋势,L a v e s相体积分数逐渐减小,在保温 m i n后,平均晶粒尺寸长大至 m,L a v e s相完全溶解;当均匀化热处理保温时间为h时,随着热处理温度的升高,晶粒平均尺寸逐渐长大,L a v e s相体积分数逐渐减小,在热处理温度为 时,L a v e s相 体积 分 数降 低至 ,平均晶粒尺寸长大至 m,此时沉积态柱状晶已完全转化为等轴晶.最终确定均匀化热处理参数为:热处理温度 ,保温时间 m i n.关键词:电弧增材制造;均匀化热处理;GH 合金;影响中图分类号:T G T G 文献标识码:A国家自然科学基金资助项目();中央高校基本科研业务费项目(k f y X J J S )收稿日期:;修订日期:作者简介:郑新蓉(),女,内蒙古兴安盟人,在读硕士研究生,研究方向:金属塑性成形与增材制造.引言镍基高温合金以耐腐蚀、耐高温以及在高温下具有优秀的力学性能而被广泛应用于航空航天、化工、海洋工业等领域,其中GH 合金是应用较为广泛的镍基高温合金之一,.GH 合金是一种沉淀强化的F e C r N i基高温合金,在 下具有较好的抗疲劳、抗腐蚀、抗氧化等性能.GH 合金主要强化相为(N i N b),辅助强化相为(N i A l T i),在一定条件下会转化为稳定的相(N i N b),因而GH 合金的组织、性能对热加工工艺十分敏感,加工过程中容易出现元素偏析、组织不均匀等现象.为了减轻元素偏析,提高材料均匀性,对材料进行均匀化热处理是十分重要的一项措施.电弧增材制造技术作为一种独特而高效的技术,已经逐渐应用于新型材料和零件的生产中.与传统机械加工方式相比,电弧增材制造技术具有成形尺寸大、设备简单、效率高、成本低且材料利用率高等优点.与传统制造工艺相比,电弧增材制造技术的生产周期更短,工艺设计灵活度大,同时也可用于贵重金属零部件的修复.为了降低成本、提高生产效率,越来越多的生产企业用电弧增材制造技术来加工生产高温合金零部件,.为使电弧增材制造后的零部件达到使用性能的要求,增材制造后材料的组织变化与性能提升一直是研究的重点.本文以GH 合金为研究对象,对电弧增材制造后的GH 合金试样进行不同保温时间和热处理温度的均匀化热处理,主要对比分析热处理前、后GH 合金的微观组织变化,为提高电弧增材制造GH 合金的组织性能打下基础.试验材料及方法 试验材料采用电弧增材制造技术成型GH 合金块,试验设备为三轴联动机器人及配套送丝机,试验选用直径为 mm的GH 合金丝材,其化学成分见表.试验所用基板为 号钢,在成形前对基板表面进行打磨以去除基板表面氧化膜.表GH 合金丝材化学成分(质量分数)元素N iF eC rN bM oT iSR b含量()余量 试验方法电弧增材制造GH 合金的工艺参数为:电流 A,焊接速率 c m/m i n,搭接率,采用逐层扫描的方 式成形试件块,试件块尺寸 为 mm mm mm.将成形后的块状试件沿沉积方向切割成 mm mm的圆柱试样,分别在 、温度下保温 m i n、m i n、m i n,研究不同均匀化热 处理温度和 保温时间对 沉积态GH 合金的组织影响.沉积态和均匀化热处理后的试样经打磨抛光后采用电解腐蚀法进行腐蚀,电解腐蚀液采用质量分数为 的草酸溶液,电解腐蚀设备的负极接铜片,正极接合金试样,采用电子扫描显微镜(S E M)观察合金金相显微组织.试验结果与讨论 沉积态GH 合金显微组织图为电弧增材制造GH 合金的显微组织.由图可以发现,沉积态GH 合金的显微组织为具有明显外延生长特征的柱状晶组织,且生长方向较为一致,趋向于电弧 增材制造的 沉积方向(见 图(a);枝晶间大量聚集的岛状组织为含有N b元素的L a v e s相(见图(b),L a v e s相的存在会严重降低合金的塑性和持久寿命,经过高温长时间的加热,能够促进溶质原子扩散迁移以达到减少枝晶中的元素浓度差异,而使材料达到均匀化的目的,避免材料出现严重的成分偏析.均匀化热处理对沉积态GH 合金微观组织的影响图为沉积态GH 合金在 下分别保温 m i n、m i n、m i n后的微观组织.从图(a)和图(b)中可以观察到:在 保温 m i n的均匀化热处理条件下,L a v e s相开始发生溶解,此时组织内的柱状晶晶界较为平直,但有一部分柱状晶的晶界开始产生迁移,形成了尺寸较小的短小晶粒,但仍具有柱状晶特征,此时L a v e s相体积分数为 ,平均晶粒尺寸为 m.从图(c)和图(d)可以观察到:在 保温 m i n的均匀化热处理条件下,L a v e s相的溶解程度增加,此时大部分L a v e s相呈短棒状或球状,极少数L a v e s相具有岛状形貌,原本粗大、平直的柱状晶晶界逐渐变得弯曲,柱状晶的晶界经过迁移、扩展、合并后重新形成再结晶晶粒,但晶粒尺寸相差较大,此时L a v e s相体积分数为 ,平均晶粒尺寸为 m.从图(e)和图(f)中可以观察到:在 保温 m i n的均匀化热处理条件下,L a v e s相已经完全溶解,同时在材料组织中能观察到灰白色球形碳化物分布于基体上,组织内的柱状晶转变为等轴晶,晶界变得光滑平直,有助于消除组织内的各向异性,此时组织内平均晶粒尺寸为 m.由此可确定GH 合金均匀化热处理条件:均匀化热处理温度为 ,保温时间为 m i n.图电弧增材制造GH 合金的显微组织图沉积态GH 合金电弧增材试样 不同保温时间下均质化热处理后的显微组织机 械 工 程 与 自 动 化 年第期图为沉积态GH 合金在 不同保温时间下均 匀化热处理 后组织平 均晶粒尺寸.从图中可以观察到:随着保温时间的增加,晶粒尺寸逐渐长大.这是因为沉积态GH 合金组织中存在相,其 析 出 温 度 范 围 约 为 ,在 时会大量溶解于基体中,而相在晶界析出可以抑制晶粒长大.因而随着保温时间的增加,相逐渐回溶,晶界受到的钉扎作用逐渐减小,从而导致组织内晶粒尺寸出现长大现象.图沉积态GH 合金 不同保温时间下均匀化热处理后组织的平均晶粒尺寸图为沉积态GH 合金在不同热处理温度下保温 m i n后的微观组织.从图(a)和图(b)中能够观察到:沉积态GH 合金在经过 保温 m i n的均匀化热处理后,L a v e s相已经发生溶解,大部分L a v e s相出现断裂、碎化现象,原本粗大、平直的柱状晶晶界发生扭曲,柱状晶的晶界经过迁移、扩展、合并后重新形成尺寸较小的再结晶晶粒,此时L a v e s相体积分数为 ,平均晶粒尺寸为 m.从图(c)和图(d)中可以观察到:沉积态GH 合金在经过 保温 m i n的均匀化热处理后,L a v e s相体积明显减小,绝大多数L a v e s相呈短棒状或球状,少部分L a v e s相依旧保持着岛状形貌,L a v e s相仍未完全消除,组织内的柱状晶进一步向等轴晶转化,晶界逐渐变得较为平直,晶粒尺寸有所长大,此时L a v e s相体积分数为 ,平均晶粒尺寸为 m.从图(e)和图(f)中可以观察到:沉积态GH 合金在经过 保温 m i n的均匀化热处理后,组织内只有极少数球状L a v e s相存在,L a v e s相体积分数减小,组织内的晶粒尺寸趋于均匀且晶界变得光滑平直,且晶粒尺寸长大明显,这是因为在 下,组织内的相已经全部溶解,晶界在此时不受钉扎作用的影响,因此随着热处理温度的升高,晶粒逐渐长大,此时L a v e s相体积分数为 ,组织内的平均晶粒尺寸为 m.图沉积态GH 合金不同热处理温度下保温h后的微观组织结论()试验主要研究了不同均匀化热处理工艺参数对沉积态GH 合金微观组织的影响,试验最终确定沉积态GH 合金的最佳均匀化热处理工艺参数为:热处理温度 ,保温时间 m i n.()沉积态GH 合金组织中的L a v e s相体积分数随着均匀化热处理保温时间的增加而减小.在 保温 m i n时,组织内的L a v e s相体积分数为 ;在 保温 m i n时,组织内的L a v e s相体积分数为 ;在 保温 m i n时,组织内的L a v e s相完全溶解.()沉积态GH 合金组织中的L a v e s相体积分数随着均匀化热处理温度的升高而减小.在 保温 m i n时,组织内的L a v e s相体积分数为 ;在 保温 m i n时,组织内的L a v e s相体积分数为 ;在 保温 m i n时,组织内的L a v e s相体积分数为 .()均匀化热处理对沉积态GH 合金组织的 年第期郑新蓉,等:均匀化热处理对电弧增材制造GH 合金组织影响晶粒尺寸有较大影响,晶粒尺寸随着均匀化热处理保温时间的增加而长大.在 保温 m i n时,柱状晶晶界较为平直,一部分柱状晶的晶界开始产生迁移,形成了尺寸较小的短小晶粒,此时晶粒平均尺寸为 m;在 保温 m i n时,原本粗大平直的柱状晶晶界逐渐变得弯曲,柱状晶逐渐向等轴晶转化,此时晶粒平 均尺寸 为 m;在 保 温 m i n时,组织内的柱状晶转变为等轴晶,晶粒尺寸趋于均匀且晶界变得光滑平直,此时晶粒平均尺寸为 m.参考文献:陈国军,张永杰,王恩刚,等脉冲磁场高温合金凝固细晶技术的工业应用分析J金属功能材料,():朱朝晖大厚度比镍基高温合金构件的焊接工艺J金属功能材料,():吕耀辉,王凯博,刘玉欣,等热处理对等离子弧增材制造I n c o n e l 合金组织与性能的影响J金属功能材料,():C h e nG u o q i n g,Z h a n gB i n g g a n g,L T i a n m i n,e ta l C a u s e sa n dc o n t r o lo fw e l d i n gc r a c k si ne l e c t r o n b e a m w e l d e ds u p e r a l l o y GH j o i n t sJ T r a n s a c t i o n so fN o n f e r r o u sM e t a l sS o c i e t yo fC h i n a,():孔永华,李龙,陈国胜,等不同热处理工艺对GH 合金组织及性能的影响J稀有金属材料与工程,(增刊):S a r a r z a d e A b o l f a z l,S h a r i f i t a b a r M a h m o o d,S h a f i e eA f a r a n lM a h d i E f f e c t so fh e a tt r e a t m e n to nm i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e co fI n c o n e l a l l o y f a b r i c a t e d b y w i r e a r c a d d i t i v e m a n u f a c t u r i n gp r o c e s sJ T r a n s a c t i o n so fN o n f e r r o u sM e t a l sS o c i e t yo fC h i n a,():从保强,苏勇,齐铂金,等铝合金电弧填丝增材制造技术研究J航天制造技术,():,贾志宏,万晓慧,郭德伦超高频电弧增材制造GH 合金热处理组织J焊接学报,():,E f f e c t o fH o m o g e n i z a t i o nH e a tT r e a t m e n t o nO r g a n i z a t i o no fG H A l l o yb yA r cA d d i t i v eM a n u f a c t u r i n gZ H E N GX i n r o n g,WE ND o n g x u,WUH e b a o,L IJ i a n j u n,(S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fM a t e r i a l sP r o c e s s i n ga n dD i e&M o u l dT e c h n o l o g y,S c h o o l o fM a t e r i a l sS c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g,H u a z h o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,W u h a n ,C h i n a;S c h o o l o fM e c h a n i c a l&E l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g,W u h a nI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y,W u h a n ,C h i n a;M i a n y a n gD a q iT e c h n o l o g yC o,L t d,M i a n y a n g ,C h i n a;H u b e iH u a n g s h i I n s t i t u t eo fM o u l dI n d u s t r yT e c h n o l o g y,H u a n g s h i ,C h i n a)A b s t r a c t:T h e a r c a d d i t i v em a n u f a c t u r i n gp r o c e s sw a su s e d t o f o r mGH a l l o y,a n d t h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t h o m o g e n i z a t i o np r o c e s sc o n d i t i o n so nt h e m i c r o s t r u c t u r eo fGH a l l o yi nt h ed e p o s i t e ds t a t e w e r ei n v e s t i g a t e d T h er e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h eh o m o g e n i z a t i o nh e a t t r e a t m e n t t e m p e r a t u r e i s ,w i t ht h ee x t e n s i o no f t h eh o l d i n gt i m e,t h ed e p o s i t e ds t a t ec o l u m n a rc r y s t a lg r a d u a l l yt r a n s f o r m s i n t oe q u i a x e dc r y s t a l,t h ea v e r a g eg r a i ns i z eg r a d u a l l yg r o w s,a n dt h ev o l u m e f r a c t i o no fL a v e sp h a s eg r a d u a l l yd e c r e a s e s,a n da f t e r m i no f h o l d i n g t i m e,t h e a v e r a g eg r a i ns i z eg r o w s t o m,a n d t h eL a v e sp h a 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t e r i a ls e l e c t i o no fg r e e nd e s i g np r o c e s s e s f o r c a rb o d yv i a c o n s i d e r i n ge n v i r o n m e n tp r o p e r t yJ M a t h e m a t i c a lP r o b l e m si n E n g i n e e r i n g,:L iS,B a iJ,W a n g X,e ta l E q u i v a l e n ts u b s t i t u t i o nc r i t e r i ao fa l u m i n u m f o r s t e e la n di t s a p p l i c a t i o n i na u t o m o b i l e s t r u c t u r e sJ A d v a n c e s i n M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,():S h a n gDG,B a r k e yME,W a n gY,e t a l F a t i g u ed a m a g ea n dd y n a m i cn a t u r a lf r e q u e n c yr e s p o n s eo fs p o t w e l d e dj o i n t sJ S A ET r a n s a c t i o n s,:李家乐,王玉奇,李延辉,等铝合金单搭胶接接头动态性能分析J机械设计与研究,():王瑞杰基于动态响应分析的点焊接头疲劳损伤与寿命预测D北京:北京工业大学,:赵得锁铝合金泡沫金属“三明治”结构压印接头疲劳可靠性研究D昆明:昆明理工大学,:S t u d yo fS t a t i cM e c h a n i c a lP r o p e r t i e sa n dD y n a m i cR e s p o n s eC h a r a c t e r i s t i c so fA l u m i n u mA l l o yC l i n c h e dJ o i n t sS O N GC h u n y u,L E IL e i,J I NY i n g l i,Z H A OZ h i q i a n g,S H IY e(S c h o o l o fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,S h e n y a n gU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,S h e n y a n g ,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t os t u d y t h e s t a t i ca n dd y n a m i c r e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c so f t h e c l i n c h e d j o i n t,a l u m i n u ma l l o yc o mm o n l yu s e di nt h e c a rb o d yw a s s e l e c t e da s t h e t e s tm a t e r i a l t op r e p a r e t h e s i n g l e l a p j o i n t T h ed y n a m i c r e s p o n s e t e s t p l a t f o r mi sb u i l t t o t e s t i t sn a t u r a l f r e q u e n c y,a n dt h e f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e i su s e df o rs i m u l a t i o na n a l y s i s T h es t a t i ct e s ta n df a t i g u et e s to f t h et e s tp i e c ew e r ec a r r i e do u tb yMT Sm u l t i f u n c t i o n t e s t i n gm a c h i n e,a n d t h e f a i l u r em o d e o f f r a c t u r ew a s a n a l y z e db yS EM T h e a n a l y s i s r e s u l t ss h o wt h a t t h e f a i l u r em o d e o f t h e j o i n t i sd i r e c t l y r e l a t e d t o t h ep r o c e s sp a r a m e t e r s o f t h e f r a c t u r eTUa n d t h en e c k t h i c k n e s sTN T h ea v e r a g em a x i m u ms h e a r s t r e n g t ho f a l u m i n u ma l l o yc l i n c h e d j o i n t i s N,a n dt h e f a i l u r em o d e i sn e c kf r a c t u r ew i t ha l i t t l ep u l l o f f f a i l u r e A t t h e s a m e t i m e,i t a l s os h o w s t h a t t h e e s t a b l i s h m e n t o f t h e f i n i t e e l e m e n tm o d e l c a ns i m u l a t e a n da n a l y z e t h em o d a ls h a p eo f t h e j o i n t K e y w o r d s:c l i n c h e d j o i n t s;s t a t i c t e s t s;d y n a m i cr e s p o n s e;a l u m i n u ma l l o y机 械 工 程 与 自 动 化 年第期