激光選區(qū)熔化GH5188合金組織和性能研究

張?jiān)獋?蘇 慶,郎連林,陳 建,李 巍,劉雅輝,王 俊

(1. 中國(guó)航發(fā)貴州黎陽(yáng)航空動(dòng)力有限公司,貴州 貴陽(yáng) 550000;2. 中國(guó)人民解放軍93147部隊(duì)某軍事代表室,貴州 貴陽(yáng) 550000;3. 上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200240)

0 引 言

20世紀(jì)90年代以來,隨著激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)以及機(jī)械工程技術(shù)的發(fā)展,金屬零件激光制造技術(shù)在激光熔覆技術(shù)和快速成型技術(shù)的基礎(chǔ)上應(yīng)運(yùn)而生,迅速成為增材制造領(lǐng)域內(nèi)最有發(fā)展前途的先進(jìn)制造技術(shù)之一。金屬零件激光增材制造技術(shù)以高功率或高亮度激光為熱源,逐層熔化金屬粉末或絲材,直接制造出任意復(fù)雜形狀的零件,其實(shí)質(zhì)就是CAD軟件驅(qū)動(dòng)下的激光三維(3D)熔覆過程;根據(jù)材料在沉積時(shí)的不同狀態(tài),金屬零件激光增材制造技術(shù)可以分為兩大類:金屬材料在沉積過程中實(shí)時(shí)送入熔池被稱為激光直接沉積增材制造技術(shù);金屬粉末在沉積前預(yù)先鋪粉被稱為激光選區(qū)熔化(SLM)增材制造技術(shù)[1-8]。

激光選區(qū)熔化增材制造是基于離散堆積成型思路的先進(jìn)增材制造技術(shù)之一,是把零件三維模型沿一定方向離散成一系列有序的微米量級(jí)薄層,以激光為熱源,根據(jù)每層輪廓信息逐層掃描熔化預(yù)置的金屬粉末,直接制造出任意復(fù)雜形狀的近成型零件[9]。該技術(shù)解決了復(fù)雜金屬構(gòu)件的難加工、周期長(zhǎng)等技術(shù)瓶頸,可制造出傳統(tǒng)方法無法加工的復(fù)雜零件,具有大幅減少制造工序、縮短生產(chǎn)周期、降低成本等特點(diǎn)。近年來,隨著科技的發(fā)展和對(duì)產(chǎn)品性能要求的不斷提高,在航空、航天領(lǐng)域中的飛機(jī)、飛行器、發(fā)動(dòng)機(jī)等一體化、輕量化復(fù)雜零部件制造上,已逐步開展SLM技術(shù)運(yùn)用和研究工作。在國(guó)外航空、航天等領(lǐng)域大量運(yùn)用,部分合金已經(jīng)批量化生產(chǎn);而其在我國(guó)航空、航天等領(lǐng)域也得到了初步的運(yùn)用,但受原材料、打印工藝及設(shè)備等因素的影響,航空、航天用特種合金材料打印工藝還不成熟,需要進(jìn)一步開展工程化應(yīng)用工藝研究,制定相關(guān)檢測(cè)及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[10]。

本研究采用激光選區(qū)熔化增材制造工藝成型GH5188高溫合金支板零件,詳細(xì)對(duì)比了不同增材制造工藝參數(shù)成型的支板毛坯的微觀組織和力學(xué)性能,最終獲得了合格產(chǎn)品。

1 試驗(yàn)及方法

本研究中的支板材料為GH5188,是固溶強(qiáng)化型鈷基高溫合金。該合金中加入了14%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的鎢固溶強(qiáng)化,具有優(yōu)良的高溫?zé)釓?qiáng)性;該合金添加較高含量的鉻和微量鑭,具有良好的高溫抗氧化性能,適用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)上在980℃以下要求高強(qiáng)度和在1100℃以下要求抗氧化的零件。本研究中的GH5188高溫合金支板(圖1)含流線型帶扭轉(zhuǎn)角度型面,外緣板、葉身布滿氣膜孔,四周均有封嚴(yán)槽,葉身及緣板主體壁厚為0.8mm,葉身輪廓度0.25(單側(cè)向外),其余位置輪廓度0.3。其結(jié)構(gòu)為典型大尺寸(軸向尺寸約400mm)、薄壁、空腔、帶筋條結(jié)構(gòu),對(duì)尺寸精度和冶金性能等技術(shù)要求高。根據(jù)GH5188高溫合金支板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的激光選區(qū)熔化工藝流程如圖2所示。

(a) 打印方向 (b) 支撐物圖1 GH5188高溫合金支板Fig.1 GH5188 superalloy support plate

圖2 高溫合金支板的SLM工藝流程Fig.2 SLM process flow of the superalloy support plate

GH5188合金支板SLM增材制造工藝如下。

(1) 擺放角度及成型方向

根據(jù)支板等零件技術(shù)要求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在設(shè)定打印方案時(shí),需要考慮零件的整體成型過程中的控形,又要考慮零件整體支撐的添加和后期零件的支撐去除對(duì)零件變形的影響。零件的擺放將直接決定零件的成型變形程度和支撐的添加,根據(jù)減小成型過程中應(yīng)力的原則,選取投影面積最小的擺放方式確定支板的成型狀態(tài),GH5188合金零件在基板的成型擺放角度及成型方向如圖1(a)所示。

(2) 支撐方案

采取添加X形筋條的方式對(duì)弧形壁板進(jìn)行加強(qiáng)。為便于后續(xù)去除,在筋條與壁板連接處開設(shè)大量孔形槽,減少接觸面積。U形結(jié)構(gòu)兩側(cè)壁板因應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生向心收縮變形,充分利用3D打印的工藝,在內(nèi)部田字形筋條處添加相互連接的自支撐的斜向筋條,如圖1(b)所示。通過上述筋條實(shí)現(xiàn)控形后,支板中仍存在大量懸空位置,為此需要添加塊狀支撐進(jìn)行固定。塊狀支撐主要起到托舉作用,在增材制造過程中屬于半致密燒結(jié),結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低,易于去除。

SLM增材制造工藝參數(shù)和熱處理制度如表1所示。在打印后的支板上分別切取橫向(掃描方向)、縱向(垂直于掃描方向)及45°方向的測(cè)試試樣,并按質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試試樣的微觀組織和力學(xué)性能,從而選取最佳的成型工藝方案。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 金相組織

各方案中打印件的橫向和縱向金相組織見圖3和圖4。方案B的標(biāo)準(zhǔn)熱處理(1180℃, 2h)試樣在橫向、縱向上基本沒有孔洞和其他缺陷,橫向金相組織有輕微的熔道痕跡。方案A的固溶熱處理(1200℃, 1h,爐冷)試樣在橫向、縱向上均無明顯孔洞或熔道痕跡,晶粒趨于等軸晶,晶界相對(duì)粗大。方案C的標(biāo)準(zhǔn)熱處理(1180℃, 1h)試樣在橫向、縱向上有少量細(xì)微孔洞,晶粒較細(xì),基本沒有熔道痕跡。因此,方案B的微觀組織較優(yōu)。

圖3 各方案打印件的微觀組織(100倍放大)Fig.3 Microstructure of prints of (magnification of 100 times)

圖4 各方案打印件的微觀組織(500倍放大)Fig.4 Microstructure of prints of each scheme (magnification of 500 times)

2.2 室溫拉伸性能和高溫拉伸性能

各方案中打印件的室溫拉伸性能如圖5所示。方案B打印的室溫拉伸性能優(yōu)于其他兩個(gè)方案,方案A和方案C的室溫拉伸性能相當(dāng)。

(a) 抗拉強(qiáng)度

各方案中打印件的高溫拉伸性能如圖6所示。多次試驗(yàn)表明:3個(gè)方案的980℃高溫拉伸性能中的屈服強(qiáng)度Rp0.2均無法達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求(不小于180MPa),但均可滿足設(shè)計(jì)調(diào)整后不小于140MPa的要求。方案A和B中打印件的高溫拉伸性能相當(dāng),但方案A各方向的高溫拉伸性能一致性較好,并優(yōu)于方案B和C,這可能與方案A采用的熱處理溫度偏高有關(guān);方案C打印件的各方向高溫拉伸性能相對(duì)偏低,這可能與采用的原材料粉末和熱處理參數(shù)有關(guān)。

(a) 抗拉強(qiáng)度

2.3 室溫沖擊性能和硬度

各方案中打印件的室溫沖擊性能如圖7所示。3種方案中打印件的沖擊性能差異較大,方案C的各方向室溫沖擊性能偏高,方案B的偏低,這與室溫拉伸性能指標(biāo)中方案B室溫強(qiáng)度偏高是相對(duì)應(yīng)的。方案C的各方向室溫沖擊性能相對(duì)偏高與其采用的熱處理制度有關(guān),即熱處理溫度越低、熱處理時(shí)間越短,則各方向室溫沖擊性能越高。

各方案中打印件的HBW硬度值如圖8所示。方案B的硬度偏高,這與方案B室溫抗拉強(qiáng)度偏高是相對(duì)應(yīng)的。通過線性回歸得到室溫抗拉強(qiáng)度與硬度值的函數(shù)關(guān)系:

(1)

圖8 各方案中打印件的HBW硬度Fig.8 HBW hardness of prints in each case

式中,Rm為室溫抗拉強(qiáng)度(MPa),上標(biāo)A, B, C為方案名稱,HHBW為硬度。

同時(shí),硬度值的差異性與打印工藝參數(shù)和熱處理制度有關(guān)。通過方差分析,獲得硬度值隨熱處理溫度和熱處理時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系:

HHBW=304.5-0.127T+1.108t,
R2=0.973,

(2)

式中,T為熱處理溫度(℃),t為熱處理時(shí)間(min)。

2.4 高溫持久性能和高溫低周疲勞性能

各方案中打印件的高溫持久性能如圖9所示。方案B打印的各方向高溫持久性能一致性較好,性能較優(yōu);方案A持久壽命偏低,這是由于方案A的熱處理溫度偏高導(dǎo)致晶界弱化和提前失效。

圖9 各方案中打印件的持久性能Fig.9 Stress rupture properties of prints in each case

各方案中打印件的高溫低周疲勞性能如圖10所示。方案B中打印件經(jīng)熱等靜壓(1170℃, 140MPa, 3h)后,其高溫低周疲勞壽命Nf顯著下降,這是由于熱等靜壓導(dǎo)致晶界WC長(zhǎng)大。方案A的低周疲勞試驗(yàn)結(jié)果采用轉(zhuǎn)換應(yīng)力測(cè)試,達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)參考值5500周次試樣未斷,這與試樣的材料性能(主要是彈性模量)有關(guān)。方案A的實(shí)際試驗(yàn)載荷為300MPa(-300～300拉壓疲勞),而方案B的實(shí)際載荷為530MPa(-530～530拉壓疲勞),兩者試驗(yàn)載荷有差異,但換算到同樣試驗(yàn)載荷下時(shí),兩者的低周疲勞性能相當(dāng)。方案C的低周疲勞壽命比方案A和B低,這與方案C的熱處理工藝有關(guān)。

圖10 各方案中打印件的700℃低周疲勞壽命Fig.10 Low cycle fatigue life at 700℃ of prints in each case

三方案的低周疲勞壽命與高溫拉伸性能的趨勢(shì)保持一致。通過線性回歸獲得高溫低周疲勞壽命隨高溫抗拉強(qiáng)度變化的函數(shù)關(guān)系:

(3)

式中,Nf為高溫低周疲勞壽命,Rm為高溫抗拉強(qiáng)度(MPa),上標(biāo)A、 B、 C為方案名稱。值得一提的是,式(3)中Nf和Rm的測(cè)試溫度并不相同,因此并不嚴(yán)格,此外方案A的疲勞壽命為滿足條件時(shí)的中止疲勞壽命,而非最大疲勞壽命。

3 結(jié) 論

針對(duì)GH5188高溫合金支板設(shè)計(jì)了3種SLM增材制造工藝方案和熱處理制度,對(duì)比分析了3種方案中打印件的微觀組織和力學(xué)性能,結(jié)論如下。

(1) 各方案中打印件微觀組織和力學(xué)性能均滿足要求,其中方案B的微觀組織和力學(xué)性能最優(yōu),其打印參數(shù)為:鋪粉層厚40μm,激光功率372W,激光掃描速度1000mm/s,填充線間距0.08mm,光斑直徑0.11mm;熱處理制度為:勻速升溫,(1180±10)℃, 2h,充Ar冷卻。

(2) 通過試驗(yàn)優(yōu)化了GH5188高溫合金支板的SLM工藝設(shè)計(jì),掌握了打印件微觀組織和力學(xué)性能調(diào)控技術(shù),為同類零件的SLM成型提供了參考。