激光3D打印GH4169材料性能試驗研究

喬 雷， 孫海燕

（中國航發(fā)航空科技股份有限公司， 四川 成都 610503）

引言

激光3D打印技術(shù)的專業(yè)術(shù)語也叫激光立體成形技術(shù)，這種技術(shù)誕生于20世紀80年代末期，是制造技術(shù)原理的一次革命型突破，目前國內(nèi)外都開展激光3D打印技術(shù)研究，并有著多處成功應用的經(jīng)驗。

激光3D打印可用于成型制造與完成具有復雜空間結(jié)構(gòu)的鍛、鑄件和模具制造，同時具備成型精度高、零件輕量化和制造成本低等優(yōu)勢[1]；激光3D打印可用于材料表面改性，提高基體材料硬度和耐磨性[2]；激光3D打印技術(shù)一個重要應用領域，是高價值零件修復，可以延長零件壽命、降低維修成本、縮短生產(chǎn)進度。

雖然激光3D打印技術(shù)最初主要是作為一種金屬零件高性能快速制造技術(shù)而發(fā)展起來的，但工業(yè)界卻越來越關(guān)注其作為一種高性能成形修復技術(shù)的巨大技術(shù)優(yōu)勢。在航空航天、機械、能源、船舶等領域的大型裝備，其高性能快速修復都對激光3D打印技術(shù)提出了迫切需求。資料表明，美國采用激光立體成形技術(shù)維護軍事裝備資產(chǎn)達40億美元/年，在飛機、路基和?；到y(tǒng)都配備了激光立體3D打印系統(tǒng)。激光3D打印修復的主要有以下優(yōu)點[3]：

1）修復的力學性能高，可以達到鑄件以及鍛件新件的性能要求。

2）修復的變形很小，可以在大面積薄壁零件上進行大體積增材修復。

3）可以進行成形修復，恢復具有復雜形狀結(jié)構(gòu)的損傷局部和性能。

GH4169材料由于具有良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧化、耐腐蝕性能以及良好的加工性能，能夠制造各種形狀復雜的零部件，在航空航天、核能、石油工業(yè)中得到廣泛的應用。通常GH4169材料零件價值較高，如高溫合金鑄件機匣件多在20～50萬元，而整體葉盤毛料接近甚至超過100萬元。過去由于缺乏適當?shù)男迯图夹g(shù)而不得不報廢，其帶來的不僅是高昂的經(jīng)濟損失，且由于這些零件制造周期一般很長，重新造新件往往會顯著延緩產(chǎn)品交付時間。通過激光3D打印技術(shù)進行定向局部增材修復，可以有效解決上述問題。

激光3D成型的主要問題是質(zhì)量未經(jīng)驗證，缺乏相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，因而在零件修復中仍受到設計限制。

1 主要內(nèi)容

試驗采用國產(chǎn)固溶態(tài)GH4169完成激光3D打印增材，時效熱處理后進行無損探傷和力學性能測試，并與材料手冊中相關(guān)數(shù)據(jù)進行對比，對激光3D增材部分性能進行分析。

1.1 試驗設備

采用ARNOLD激光設備6000W光纖激光器、同軸和四通道熔覆激光頭。

1.2 試樣規(guī)格

試樣按下頁圖1準備。

1.3 打印材料

GH4169粉，國內(nèi)制備。

1.4 試驗過程

1）在GH4169材料上銑加工深6 mm，寬14 mm的槽，槽底由R6圓弧轉(zhuǎn)接，具體如下頁圖1所示。2）在槽內(nèi)激光3D成形新的材料，將槽內(nèi)部填滿。3）熱處理：720℃保溫8 h，以55℃/h的冷卻速度冷卻至620℃保溫8 h，空冷。

4）將槽頂銑平，以進行熒光和X光檢查。5）熒光檢查和X光檢查。

圖1 試樣規(guī)格試樣圖（mm）

6）取力學試樣和宏觀金相試樣。力學試樣規(guī)格如圖2所示，金相試樣沿槽橫切，數(shù)量3個。

7）宏觀金相試驗分析、力學試驗。

圖2 力學試樣示意圖（mm）

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 無損探傷試驗結(jié)果

試樣熒光和X光檢查結(jié)果如表1所示，在3D打印區(qū)域存在氣孔和夾雜，尺寸在0.10～0.20 mm，間距大于25 mm，這些缺陷的產(chǎn)生主要是在粉末填充材料冶金過程中產(chǎn)生的。

表1 試樣無損探傷結(jié)果

2.2 金相試驗結(jié)果

金相試驗結(jié)果如圖3所示，3個切面放大9倍后未見缺陷顯示。

2.3 力學試驗結(jié)果

室溫（20℃）和650℃拉伸數(shù)據(jù)如表2所示，650℃和700 MPa持久數(shù)據(jù)見如表3所示。每個表下面附不同標準規(guī)定GH4169的力學性能。

2.4 試驗結(jié)果分析

圖3 試樣宏觀金相照片

表2 室溫（20℃）和650℃拉伸數(shù)據(jù)

表3 650℃持久性能

表4是GH4169鍛鑄件制造過程中無損探傷相關(guān)驗收要求，從表中可知：相關(guān)鍛鑄件驗收標準中表面最大允許的缺陷尺寸為0.76 mm且間距大于12.7 mm，內(nèi)部允許不大于0.4 mm氣孔或夾雜。而表2表明：激光3D打印GH4169熒光檢查結(jié)果顯示其表面缺陷單個尺寸在0.18 mm，間距大于25 mm，滿足表4中相關(guān)標準要求；同時激光3D打印GH4169 X光檢查結(jié)果顯示其表面缺陷單個尺寸在0.2 mm以下，滿足表4中相關(guān)標準對內(nèi)部質(zhì)量的要求?？梢钥闯黾す?D打印GH4169材料試樣表面和內(nèi)部質(zhì)量能夠滿足相關(guān)標準對零件缺陷驗收要求。

表4 鍛鑄件無損探傷驗收要求

激光3D打印GH4169試樣在20℃和650℃抗拉強度（σb）和屈服強度（σ0.2）都接近或高于 GH4169普通鍛件和GH4169高強度鍛件，但低于直接時效GH4169鍛件，20℃和650℃抗拉強度分別達到直接時效鍛件的91%和92%，20℃和650℃屈服強度分別達到直接時效鍛件的89%和94%；在20℃時延伸率（δb）和斷面收縮率（ψ）高于不同標準規(guī)定GH4169鍛件驗收標準，但650℃延伸率低于標準規(guī)定的驗收要求；650℃持久性能方面，在700 MPa載荷下持久時間大于直接時效鍛件要求的25 h，為31.56 h，但斷面收縮率為3%，小于標準規(guī)定的5%的要求。

激光3D打印GH4169試件在20℃和650℃抗拉強度和屈服強度高于普通GH4169鍛件，與高強GH4169鍛件接近，但低于直接時效GH4169鍛件為90%左右；與20℃相比，激光3D打印GH4169試件延伸率和端面收縮率略有下降，同時650℃持久試驗斷面收縮率也低于直接時效GH4169鍛件，這表面在650℃激光3D打印GH4169試樣脆斷傾向較為明顯，這可能是由于650℃晶界更加活躍易發(fā)生脆斷、激光成形材料與母材結(jié)合力較差所導致的。

3 結(jié)論

激光3D打印GH4169材料內(nèi)部缺陷可以滿足標準對零件內(nèi)部缺陷和表面缺陷的驗收要求。在力學性能方面，室溫（20℃）下激光3D打印GH4169材料低于直接時效GH4169鍛件，但高于普通GH4169鍛件，并與高強GH4169鍛件接近。650℃下激光3D打印GH4169脆斷傾向較為明顯。

激光3D打印可以用于GH4169材料零件的修復，修復后的零件能夠滿足零件探傷要求；修復后部位與零件母材力學性能有所不同，主要體現(xiàn)在高溫下有脆斷的傾向，因而不適于高溫下承受載荷部位如安裝邊、承力支柱等主要承力部位大面積修復。

激光3D打印技術(shù)可以作為一種有效的GH4169材料零件修復手段以用于非載荷部位、常溫條件下工作零件修復；對于高溫工作下關(guān)鍵部位零件和重要件激光3D打印技術(shù)僅推薦用于修復不大于5%面積/周長的缺陷[5]。而對于其他材料激光3D打印修復仍需要數(shù)據(jù)給予支持。

[1] 楊博宇，陳俊宇，殷鳴，等.3D打印技術(shù)在燃氣輪機葉片快速制造中的應用發(fā)展[J].機械，2017，44（3）：1-6.

[2]段明忠，戴宇杰，卿志萍.激光熔敷Fe/（Ti，W）C復合材料的研究[J].機械，2015，42（8）：77-80.

[3]黃衛(wèi)東.“3D打印”給鑄造業(yè)帶來的機遇與挑戰(zhàn)[G]//2013中國鑄造活動周論文集，2013：1-3.

[4] 中國航空材料手冊（第2卷）：第2版[M].北京：中國標準出版社，2001：326-359.

[5] WGH-014后整流艙焊接技術(shù)條件[Z].成都：國營第420廠，1994.

（編輯：李媛）