熱處理對(duì)激光金屬成形DZ125L高溫合金組織及硬度的影響

胡小華，張安峰，李滌塵，魯中良，賀 斌，葛江波

（西安交通大學(xué) 機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054）

提高高溫合金的性能對(duì)高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃汽輪機(jī)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，隨著科技的發(fā)展對(duì)高溫合金性能及制造工藝提出越來越高的要求。定向凝固高溫合金由于消除了垂直于應(yīng)力軸的橫向晶界，具有優(yōu)異的高溫蠕變及持久性能等優(yōu)點(diǎn)而得到越來越多的關(guān)注和研究［1－4］。但由于傳統(tǒng)鑄造液態(tài)冷卻定向凝固工藝的溫度梯度小，凝固冷卻速率低，定向凝固柱狀晶組織粗大，枝晶間疏松及合金元素凝固偏析嚴(yán)重。提高定向凝固過程的溫度梯度和冷卻速率是細(xì)化定向凝固柱狀晶組織，降低合金元素偏析的最有效方法之一［5］。

DZ125L是中國自主研發(fā)的第一代采用低偏析技術(shù)制造的高性能定向凝固薄壁空心葉片鎳基高溫合金，主要應(yīng)用環(huán)境為推重比7～8渦轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)一級(jí)渦輪葉片，工作溫度1000℃以上，具有良好的高溫使用性能。它是一種沉淀強(qiáng)化型合金，鑄造組織主要包括：γ基體，強(qiáng)化相γ′（Ni3（Al，Ti）），共晶γ／γ′和 MC碳化物。其中強(qiáng)化相γ′和MC碳化物的形態(tài)和分布對(duì)合金高溫性能具有重大影響［6，7］。

激光金屬成形（Laser Metal Forming，LMF）技術(shù)是20世紀(jì)90年代初發(fā)展起來，是將計(jì)算機(jī)中CAD模型進(jìn)行“分層”，“切片”處理，然后逐層堆積，形成無模具，近凈成形零件的一種先進(jìn)制造技術(shù)。這種工藝成形熔池小，冷卻速率高，溫度梯度高達(dá)105～107℃／m，可以成形具有外延生長(zhǎng)定向快速凝固特點(diǎn)的組織［8－10］。本研究探求采用此種方法制造高溫合金零件，但由于激光金屬成形過程的中快冷快熱，造成應(yīng)力集中和組織的亞穩(wěn)定，使得成形零件直接使用受到限制，因此后續(xù)熱處理是十分必要的。國內(nèi)外對(duì)激光金屬成形方法的后續(xù)熱處理還沒有深入的研究，而針對(duì)激光金屬成形DZ125L后續(xù)熱處理方面鮮見報(bào)道，研究討論了5種不同的激光金屬成形DZ125L后熱處理工藝件的組織特征及硬度分布。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)是在自主開發(fā)的激光金屬成形系統(tǒng)（如圖1所示）上進(jìn)行的，保護(hù)箱內(nèi)通氬氣，用以保護(hù)熔池不被氧化。實(shí)驗(yàn)所用DZ125L粉末為中科院金屬研究所開發(fā)的超聲氣體霧化粉末，粉末粒度為（－100～＋325）目；基板材料為316L不銹鋼，化學(xué)成分分別見表1和表2。

圖1 激光金屬成形系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of LMF system

表1 DZ125L高溫合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）Table 1 Chemical composition of the DZ125L powder（mass fraction／%）

表2 316L不銹鋼鋼板的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）Table 2 Chemical composition of the 316Lstainless steel substrate（mass fraction／%）

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)前將粉末置于真空干燥箱中加熱150℃，保溫24h；基板用砂紙打磨，并用丙酮和酒精清洗。根據(jù)表3所示工藝參數(shù)制備試樣。根據(jù)鑄造標(biāo)準(zhǔn)熱處理工藝（均勻化處理1220℃／2h，氬冷→固溶處理1080℃／4h，氬冷→時(shí)效處理900℃／16h，氬冷）制定不同試樣熱處理處理方案，見表4。實(shí)驗(yàn)后使用線切割切取試樣，并清洗、鑲嵌、拋光、腐蝕（腐蝕劑20g CuSO4·5H2O＋5mL H2SO4＋50mL HCl＋100mL H2O）。采用光學(xué)顯微鏡（KEYENCE VH－8000），掃描電子顯微鏡（QUANTA－400F）以及成分分析儀，XRD設(shè)備（D／max2400）觀察和分析試樣。使用MH－5型顯微硬度計(jì)（維氏壓頭）分別測(cè)量試樣的顯微硬度，載荷200g，加載時(shí)間20s。

表3 激光金屬成形工藝參數(shù)Table 3 Process parameters of LMF

表4 試樣處理方案Table 4 Heat treatment schedule of LMF DZ125L

2 結(jié)果與討論

2.1 光學(xué)顯微鏡下組織形貌

圖2為不同試樣在光學(xué)顯微鏡下組織形貌圖，如圖2（a）所示，激光金屬成形形成冶金結(jié)合，組織致密，經(jīng)測(cè)量一次枝晶間距約為5μm。這主要是由于激光金屬成形溫度梯度高，依據(jù)枝晶生長(zhǎng)理論［11］，枝晶平均一次間距（λ1）與凝固速率（V）和溫度梯度（G）之間存在近似關(guān)系：λ1∝V－aG－b（a，b為與合金有關(guān)的常數(shù)）。因此晶粒間距細(xì)小，這樣十分有利于力學(xué)性能的提高。從圖中可以看出只有圖2（d）發(fā)生變化較小，其余均無法觀察直接成形原始組織，說明熱處理對(duì)組織影響較大。

圖2 光學(xué)顯微鏡下不同試樣組織形貌圖 （a）1＃試樣；（b）2＃試樣；（c）3＃試樣；（d）4＃試樣；（e）5＃試樣；（f）6＃試樣Fig.2 Optical micrographs of different samples（a）sample No.1；（b）sample No.2；（c）sample No.3：（d）sample No.4；（e）sample No.5；（f）sample No.6

2.2 掃描電鏡下組織形貌

圖3為1＃試樣SEM組織形貌及EDS分析圖，從圖3（a），（b）可以看出1＃試樣中在晶界析出大量不連續(xù)點(diǎn)狀白色物質(zhì)，從圖3（c）中通過EDS測(cè)量可以看出Ta 20.14%，Ti 6.53%，W 14.48%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）含量較高，可推斷為MC碳化物，尺寸不到1μm；圖3（d）對(duì)區(qū)域1EDS分析可知為過飽和固溶γ基體。通過如圖4 XRD分析結(jié)果可以進(jìn)一步證實(shí)。

圖4 1＃試樣XRD分析結(jié)果圖Fig.4 The X－ray diffraction result of sample No.1

這些MC碳化物主要是合金元素容易在晶界處富集，凝固后期溶質(zhì)殘留在液相中通過共晶轉(zhuǎn)變而來，在晶界成點(diǎn)狀析出。由于激光金屬成形組織處于嚴(yán)重非平衡狀態(tài)，凝固速率大，形成了過飽和固溶體，γ′相來不及析出，受到抑制。由于強(qiáng)化相γ′無法析出，脆性MC碳化物在晶界析出過多，必然無法滿足高溫合金使用要求，需進(jìn)行后熱處理。

通過EDS測(cè)量可以分析得知在晶界析出大塊黑色物質(zhì)成分與基體相差不大，可推斷為γ／γ′共晶化合物，白色物質(zhì)為MC碳化物；在晶粒內(nèi)部白色鏈狀織構(gòu)為初生γ基體，黑色物質(zhì)為沉淀強(qiáng)化γ′相。從圖5（a）可以看出，2＃試樣雖然只經(jīng)過均勻化和空冷，仍然析出了大量立方形態(tài)的γ′，這主要是由于AD組織過飽和固溶度很大，組織處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，在空冷過程中，析出了與基體共格的強(qiáng)化相γ′。從圖5（b）可以看出，3＃試樣中γ／γ′共晶化合物粗大，組織形態(tài)不均勻，成樹枝狀，分布著一次γ′和二次γ′，主要是由于AD組織本身較為均勻，而固溶時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，在空冷過程中組織發(fā)生變化。從圖5（c）可以看出，4＃試樣中在晶界同樣析出塊狀γ／γ′共晶，析出有限的γ′相，組織相對(duì)均勻。從圖5（d）可以看出，5＃試樣中γ′析出很少，點(diǎn)狀MC碳化物消失，這主要是由于沒有經(jīng)過均勻化或者固溶處理，無法給γ′析出提供足夠的形核率。從圖5（e）可以看出，6＃試樣中析出了大量的γ′，同時(shí)γ／γ′共晶在晶界析出，粗大，說明直接采用鑄造熱處理工藝應(yīng)用與激光成形不合適。

圖5 不同試樣SEM 組織形貌圖 （a）2＃試樣；（b）3＃試樣；（c）4＃試樣；（d）5＃試樣；（e）6＃試樣Fig.5 SEM images of different samples（a）sample No.2；（b）sample No.3；（c）sample No.4；（d）sample No.5；（e）sample No.6

對(duì)比圖5（c），（d），（e）可知，直接進(jìn)行時(shí)效處理無法析出大量γ′，對(duì)比圖5（b），（c）可知，時(shí)效處理對(duì)γ′析出數(shù)量影響沒那么明顯，這主要是γ′形核發(fā)生在均勻化處理和固溶處理后，時(shí)效過程主要是促進(jìn)γ′長(zhǎng)大；由于AD組織均勻，過飽和度大，可以適當(dāng)減少時(shí)效時(shí)間，但均勻化和固溶處理仍然十分必要，這對(duì)減輕元素W，Mo，Ti，Al等元素偏析程度和促進(jìn)沉淀相γ′形核有利。對(duì)比試樣圖5（a），（b），（c），（e）可知，在晶界處可見大塊γ／γ′共晶，由于共晶熔點(diǎn)低，容易成為裂紋源，對(duì)性能十分不利，需要嚴(yán)格控制共晶尺寸和數(shù)量，因此需要控制均勻化和固溶的時(shí)間。

2.3 顯微硬度

從圖6中可以看出1＃試樣硬度最高，3＃試樣硬度最低，其余試樣硬度相差均為20HV左右。這主要是激光金屬成形組織致密，枝晶間距小，過飽和強(qiáng)化和MC碳化物強(qiáng)化相在晶界大量析出，顯著提高了顯微硬度。而3＃試樣硬度最低，主要是由于強(qiáng)化相γ′析出有限，且γ／γ′共晶粗大，組織呈現(xiàn)樹枝狀，造成沉淀相和基體共格減弱。其余相差20HV左右，是允許誤差之內(nèi)，這主要是由于其余試樣強(qiáng)化相相差較小。

圖6 不同試樣顯微硬度對(duì)比Fig.6 Comparison of the micro－h(huán)ardness

3 結(jié)論

（1）激光金屬成形組織細(xì)密，一次枝晶間距約5μm，形成過飽和固溶體且抑制γ′相析出，在晶界析出點(diǎn)狀不連續(xù)MC碳化物，無法滿足高溫合金使用要求，需進(jìn)行必要熱處理。

（2）采用鑄造標(biāo)準(zhǔn)熱處理工藝無法滿足要求，其中均勻化和固溶處理十分必要，但需要控制相應(yīng)時(shí)間，可以適當(dāng)減少時(shí)效處理時(shí)間。

（3）未經(jīng)過熱處理顯微硬度比經(jīng)過熱處理要高，主要是由于組織細(xì)密，MC碳化物及強(qiáng)化相大量析出引起。

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