固溶时间对Inconel 718合金叶片组织及硬度的影响.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 A u g 文章编号:()固溶时间对I n c o n e l 合金叶片组织及硬度的影响郭宇豪,赵学平,白朴存(山西省机电设计研究院有限公司,山西太原 ;内蒙古工业大学 材料科学与工程学院,内蒙古呼和浩特 )摘要:以选区激光熔化成型I n c o n e l 合金叶片为研究对象,利用扫描电子显微镜和显微硬度计对沉积态及热处理态叶片模型进行微观组织和硬度分析.分析结果表明:沉积态叶片主要由不规则晶粒组成,晶粒内部均为胞状亚结构,胞状亚结构的胞壁处富含N b、M o元素,合金硬度约为HV ;沉积态叶片经 /h/F C热处理后,晶界清晰可见,晶粒内部的胞状亚结构基本消失,合金硬度上升至HV ;进一步延长热处理时间(h)后,晶粒内部出现退火孪晶界,合金硬度值略有降低,约为HV .关键词:选区激光熔化技术;I n c o n e l 合金叶片;微观组织;硬度中图分类号:TH TH 文献标识码:A国家自然科学基金资助项目();内蒙古自治区科技重大专项(Z D Z X )收稿日期:;修订日期:作者简介:郭宇豪(),男,山西朔州人,硕士,主要从事 D打印研究及机电产品检验检测.引言激光增材制造技术是 世纪 年代发展起来的一种将材料逐层堆积的制造技术 .激光增材制造技术主要包括激光立体成型和选区激光熔化成型两种,选区激光熔化技术是将高能激光作为能量源,对铺好粉末的粉末床进行选择性照射,使粉末在短时间内快速熔化并凝固,分层成型并层层堆叠制造成实体模型.I n c o n e l 合金是美国在 世纪 年代开发出来的一种时效强化型镍基高温合金,该合金在 范 围 内 具 有 优 异 的 高 温 力 学 性 能,.I n c o n e l 合金可以满足航空发动机叶片、轴、涡轮盘等部件的高温使用要求,且具有较高的性价比,使得该合金在航空领域得到广泛应用.I n c o n e l 合金的基体相为具有面心立方A结构的相,辅助强化相为具有面心立方L I结构的相,主要强化相为具有体心四 方D O 结 构的相,还存在 具 有 正 交D OA结构的相及拓扑密堆T C P结构的L a v e s相和碳化物.利用激光增材制造技术制备的I n c o n e l 合金经过热处理后,可以满足成型制件长时间在高温环境下的服役要求,.研究表明:沉积态I n c o n e l 合金中存在枝晶间L a v e s相和碳化物颗粒,沉积态合金经过标准热处理后,合金中的枝晶组织被再结晶晶粒取代,L a v e s相溶解于基体中,强度和硬度都有所提高,.目前,关于选区激光熔化I n c o n e l 合金的研究主要集中在块体试样上,对于薄壁件的研究相对较少,由于成型件壁厚对散热有明显的影响,因此有必要对薄壁件的组织和性能开展相关研究工作.本文采用选区激光熔化技术制备I n c o n e l 合金叶片,并对沉积态和热处理态叶片进行组织及硬度分析.试验准备及试验方法采用选区激光熔化技术制备I n c o n e l 合金叶片,扫描路径为条带式扫描,激光功率为 W,光斑直径为 mm,扫描速度为 mm/s,铺粉厚度为 mm,层间转角为 .成型后对其进行切割,沉积态叶片模型的外观照片如图所示,气流进入叶片的部位称作前缘,流出叶片的部位称作后缘,承受平均压力较低的面称作叶背,承受平均压力较高的面称作叶盆,在叶背和叶盆中存在散热孔.图沉积态叶片模型宏观图使用K S L X高温试验箱对叶片进行热处理,升温速率为 /m i n,待保温结束后对其进行随炉冷却.使用 、的砂纸依次研磨试样,再用抛光机对其进行抛光,随后腐蚀金相.腐 蚀 液 的 配 比 为 盐 酸酒 精氯 化 铜 m L m Lg,腐蚀时间为 s,腐蚀结束后用 酒 精 清 洗 并 吹 干 试 样 表 面.使 用F E I Q u a n t a F E G场 发 射 扫 描 电 镜(S EM)及 配 备 的 能 谱 仪(E D S)对试样进行微观组织和成分分析.使用数字显微硬度计(HX D TM)对试样进行硬度测试,压力为 N,负载时间为 s,每个部位取 个点,去除硬度最大值与最小值后取平均值.结果与讨论 沉积态叶片的显微组织图为沉积态I n c o n e l 合金叶片不同部位(前缘、后缘、叶背、叶盆)的S EM图.从图可以看出:叶片不同部位的显微组织基本一致,无明显缺陷(孔洞、夹杂、裂纹等),而在散热孔附近(如图(e)出现少量的孔洞缺陷;未观察到明显的晶界,而是大量的亚结构组织.图沉积态I n c o n e l 合金叶片不同部位的S EM图为判断合金中的物相组成,对图中的特征区域(方框内)进行能谱分析.图(a)和图(b)为图(b)和图(d)中方框区域的进一步放大.从图(a)和图(b)可以看出:沉积态叶片中存在链状亚结构组织和胞状亚结构组织,E D S线扫描显示,胞状亚结构胞壁处主要富含N b和M o元素.图沉积态I n c o n e l 合金叶片特征区域的S EM图和E D S线扫图 /h/F C热处理叶片的显微组织图为I n c o n e l 合金叶片经 /h/F C热处理后的S EM图.从图可以看出:沉积态叶片经热处理后,晶界清晰可见;胞状亚结构形态较沉积态发生明显变化(如图(b)所示),沉积态叶片中亚结构的胞壁较厚,其值约为 n m,而热处理叶片中亚结构壁厚极薄.在该热处理条件下,亚结构的变化主要与原子的扩散有关,在热处理过程中,胞壁处偏析的原子发生扩散,进而改变了亚结构的形态.由于亚结构胞壁厚度极小,通过E D S已无法判断其元素组成及分布状态.对尺寸较大的第二相颗粒相进行E D S分析,结果显示这些大颗粒相主要富含N b和M o元素(如图(c)所示).在热处理过程中,沉积态叶片中的偏析元素通过固溶的方式进入了基体中.图 /h/F C热处理后I n c o n e l 合金叶片的S EM图和E D S线扫图 /h/F C热处理叶片的显微组织图为I n c o n e l 合金叶片经 /h/F C热处理后的S EM图.在壁厚较薄的叶背、叶盆和散热孔周边区域,亚结构基本消失,在壁厚较厚的前缘和后缘区域还存在少量的亚结构.此外,/h/F C热处理叶片中还出现了许多退火孪晶界,当晶体受外力作用时,晶体的一部分相对于另一部分会产生切应变,切应变与孪晶界平行,原子层的切变量和它与孪晶界的距离成正比,这种切变不会改变晶体的点阵类型,但会使变形部分的位向发生变化,变形部分与未变形部分的晶体以孪晶面的形式构成镜面对称的位向关系.图 /h/F C热处理后I n c o n e l 合金叶片的S EM和E D S图 叶片的硬度分析为了研究热处理工艺对叶片硬度的影响,测试了不同热处理工艺条件下叶片不同部位的维氏硬度.图为沉积态和热处理制度分别为 /h/F C、/h/F C叶片的硬度.由于散热孔附近区域机 械 工 程 与 自 动 化 年第期组织不均匀,硬度测量误差较大,在此不做统计.由图可看出:在沉积态,叶片各区 域硬度值相近(约为HV );/h/F C热处理叶片各区域的硬度较沉积态提高了(约为HV );当热处理时间延长至h后,叶片各部位的硬度均在HV 左右.根据A S TMB 标准,要求I n c o n e l 合金在热处 理 后 硬 度 H B S ,根 据 硬 度 换 算 公 式:H B(HV )/,可 计 算 出 维 氏 硬 度 需HV ,故本文中的叶片经过 热处理后,硬度均已满足使用要求.图不同热处理工艺条件下I n c o n e l 合金叶片不同位置的硬度影响I n c o n e l 合金叶片硬度的因素主要有析出相含量和晶界.在叶片成型过程中,由于冷速较快,合金中未析出强化相,而是产生大量的元素偏析.叶片经过 /h/F C热处理后,N b、M o元素回溶到基体中.相的析出温度为 ,相的析出温度为 ,由于随炉冷却速度较慢,因此热处理态合金基体内部会析出 和 强化相,使得合金硬度较沉积态有明显提高.当沉积态叶片经过 /h/F C热处理后,试样内部晶粒发生再结晶,晶粒尺寸长大,硬度较 /h/F C合金有所降低.结论选区激光熔化成型I n c o n e l 合金叶片的硬度主要与析出相和晶粒尺寸有关,沉积态叶片中未析出强化相,各部位都存在大量亚结构组织,叶片各部位的硬度 值 基 本 一 致(约 为HV );沉 积 态 叶 片 经 /h/F C热处理后,基体内部析出了强化相,硬度值上升至HV ;进一步延长保温时间(h)后,试样内部发生了再结晶且形成退火孪晶,硬度略有降低,约为HV .参考文献:T a n j aT r o s c h,J o h a n n e s S t r n e r,R a i n e r V l k l,e t a l M i c r o s t r u c t u r ea n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f s e l e c t i v el a s e rm e l t e dI n c o n e l c o m p a r e dt of o r g i n ga n dc a s t i n gJ M a t e r i a l sL e t t e r s,:W a n gYC,L e iL M,S h i L,e ta l S c a n n i n g s t r a t e g yd e p e n d e n tt e n s i l e p r o p e r t i e s o fs e l e c t i v el a s e r m e l t e dGH J M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n gA,(c):许万卫,白雪,马健,等超声检测在金属 D打印中的应用研究进展J材料导报,():Z h a n gY a o c h e n g,Y a n gL i,C h e nT i n g y i,e t a l I n v e s t i g a t i o no nt h eo p t i m i z e dh e a tt r e a t m e n tp r o c e d u r ef o rl a s e rf a b r i c a t e dI N a l l o yJ O p t i c sa n d L a s e rT e c h n o l o g y,:刘永长,张宏军,郭倩颖,等 I n c o n e l 变形高温合金热加工组织演变与发展趋势J金属学报,():D e c k e rR a y m o n dFT h e e v o l u t i o n o f w r o u g h t a g eh a r d e n a b l es u p e r a l l o y sJ J OM,():D e b R o yT,W e i H L,Z u b a c k J S,e t a l A d d i t i v em a n u f a c t u r i n go fm e t a l l i cc o m p o n e n t s P r o c e s s,s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e sJ P r o g r e s si n M a t e r i a l sS c i e n c e,:C a i nV,T h i j s L,V a n H u m b e e c k J,e t a l C r a c kp r o p a g a t i o na n df r 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e g u l a r g r a i n s,t h e i n s i d e o f t h eg r a i n sa r ea l lc e l l l i k es u b s t r u c t u r e s,t h ec e l lw a l l so ft h ec e l l l i k es u b s t r u c t u r e sa r er i c hi nN ba n d M oe l e m e n t s,a n dt h ea l l o yh a r d n e s si sa b o u t HV A f t e rh e a tt r e a t m e n to f /h/F C,t h eg r a i n b o u n d a r i e s w e r ec l e a r l yv i s i b l e,t h ec y t o l i k es u b s t r u c t u r e i n s i d et h eg r a i n sb a s i c a l l yd i s a p p e a r e d,a n dt h ea l l o yh a r d n e s s i n c r e a s e dt oHV A f t e rf u r t h e re x t e n d i n gt h eh e a tt r e a t m e n t t i m e(h),a n n e a l e dt w i nb o u n d a r i e sa p p e a ri n s i d et h eg r a i n,a n dt h ea l l o yh a r d n e s sv a l u ei ss l i g h t l yr e d u c e d(a b o u tHV )K e y w o r d s:s e l e c t i v e l a s e rm e l t i n gt e c h n o l o g y;I n c o n e l a l l o y b l a d e;m i c r o s t r u c t u r e;h a r d n e s s 年第期郭宇豪,等:固溶时间对I n c o n e l 合金叶片组织及硬度的影响