稀有金属 2009,33(06),805-810
激光熔化沉积Rene95镍基高温合金的凝固组织及力学性能
张永忠 黄灿 石力开
北京有色金属研究总院复合材料中心
摘 要：
采用激光熔化沉积方法制备出Rene95镍基高温合金薄壁样, 分析了沉积态的凝固组织, 并进行了热处理和力学性能测试。研究表明, 激光熔化沉积Rene95镍基合金的凝固组织为外延生长的定向凝固组织, 其一次枝晶间距在20μm左右, 二次枝晶臂细小甚至退化, 元素偏析较轻;通过适当的热处理后, 合金中γ′沉淀相的体积分数明显增加, 合金的显微硬度由沉积态的HV0.1500提高到HV0.1540;经过热处理后, 激光熔化沉积Rene95合金的室温抗拉强度为1247 MPa, 较粉末冶金C级水平略低, 而沿沉积高度方向的延伸率为16.2%, 高于粉末冶金A级水平。
关键词：
激光熔化沉积 ;Rene95镍基高温合金 ;凝固组织 ;力学性能 ;
中图分类号： TG132.32
作者简介： 张永忠 (E-mail:yyzhang@grinm.com) ;
收稿日期： 2009-03-22
基金： 国家“973”计划项目 (2006CB605206-1); 国家自然科学基金项目 (50871022) 资助;
Solidification Microstructure and Mechanical Properties of Laser Direct Deposited Rene95 Nickel Based Superalloy
Abstract：
Thin wall samples from Rene95 nickel based superalloy were prepared by laser direct deposition.The solidification microstructure, heat treatment process and the mechanical properties of the deposited materials were analyzed and tested.The results indicated that the as-deposited microstructure was directionally solidified dendrites.The primary dendrite arm space was about 20 μm and the secondary dendrite arm was smaller or somewhat degenerated.There was little composition segregation within the deposited materials.After proper heat treatment, the volume fraction of γ′ precipitates increased and micro-hardness increased from HV0.1 500 to HV0.1 540.The room temperature tensile strength of the as-deposited Rene95 superalloy was 1247 MPa, which was lower than that of powder metallurgy for level C, while the ductility along the deposition direction was 16.2%, which was much higher than that of powder metallurgy for level A.
Keyword：
laser direct deposition;Rene95 nickel base superalloy;solidification microstructure;mechanical properties;
Received： 2009-03-22
激光熔化沉积成形是一种先进的无模近终成形制备技术, 它集成了快速原型技术和激光熔敷技术的优点
[1 ,2 ,3 ]
。 成形时先将零件的三维CAD模型按照一定的厚度进行分层切片处理, 得到一系列的二维数据, 进行工艺规划后驱动数控机床的运动, 采用激光熔敷的方法, 逐层堆积制备出三维零件实体
[4 ,5 ,6 ]
。
Rene95合金是一种沉淀强化型的镍基高温合金, 其沉淀相的体积分数高, 具有良好的高温强度和蠕变性能, 主要用于涡轮盘材料
[7 ]
。 但由于其合金化程度很高, 容易出现偏析, 为了抑制偏析, 目前主要采用粉末冶金的工艺成形
[8 ]
。 激光熔化沉积成形具有小熔池快速凝固的特点, 其冷却速度可达1×103 K·s-1 , 可以有效抑制合金凝固过程中的偏析。 本文采用激光熔化沉积成形方法制备出Rene95镍基高温合金薄壁件, 分析了沉积材料的凝固组织和力学性能, 并探索了其热处理工艺。
1 实 验
实验在自行建立的5 kW横流CO2 激光熔化沉积成形系统上进行。 实验所用的Rene95粉末为高压惰性气体雾化球形粉末, 粒度-45～+75 μm, 粉末的成分如表1所示。
实验在惰性气体保护箱内进行, 采用氩气保护, 氧含量控制在50×10-6 以下。 实验参数为优化的工艺参数, 如表2所示, 基体材料为100 mm×50 mm×10 mm的45#钢, 同轴方式送粉, 送粉载气为氩气, 流量为2.5 L·min-1 。
在45# 钢基板上激光熔化沉积300层Rene95合金, 制备出100 mm高, 40 mm长的薄壁件。 分别在垂直于沉积层的高度方向和沿着沉积层的高度方向取如图1所示的拉伸样, 测试其力学性能, 同时分析沿沉积层高度和垂直于沉积层高度方向的组织。
表1 Rene95粉末的化学成分 (%, 质量分数)
Table 1 Chemical compositions of Rene95 nickel base superalloy powders (%, mass fraction )
Co
Al
Ti
W
Mo
C
B
Zr
Nb
Ni
8
3.5
2.5
3.5
3.5
0.15
0.01
0.05
3.5
Bal.
表2 Rene95合金的激光熔化沉积成形工艺参数
Table 2 Processing parameters for laser direct deposition of Rene95 superalloy
Powder
Laser
Powder feed-1 )
Laser beam
Transverse -1 )
2.5
6.4
3
4
对所沉积Rene95合金进行了热处理, 热处理制度如图2所示: 1250℃固溶2 h, 空冷至800 ℃, 分别进行8, 16, 24 h时效。 观察热处理后的组织, 用HX-1型显微硬度计测试沉积态和经不同时间时效后的显微硬度, 载荷砝码为100 g, 加载时间为15 s。 按照显微硬度最高时的热处理制度对Rene95合金的力学性能样进行热处理, 测试其力学性能。
2 结果与讨论
图3所示为沉积态的Rene95合金的组织。 其中图3 (a) 为沿着沉积层高度方向的组织, 图3 (b) 为垂直于沉积层高度方向的组织, 可见沉积态组织具有良好的定向凝固组织特征, 但定向枝晶的生长方向并非严格地沿着高度方向生长, 而是和高度方向存在一个夹角。 定向枝晶的一次枝晶间距为20 μm左右, 二次枝晶细小或者完全退化。 图3 (c) 为沉积层的层间搭接组织, 在层与层之间的搭接区, 枝晶呈现良好的外延生长特性, 第n 层在第 (n -1) 层的基础上外延生长, 两层之间形成定向凝固特征的组织, 但是在沉积第n 层时会导致第 (n -1) 层枝晶的粗化。
图3 (d) 为垂直于枝晶生长方向的高倍金相组织, 在基体上弥散分布着细小的颗粒相, 晶界和枝晶的亚晶界存在尺寸较大的颗粒相。 图4为颗粒相的EDS分析结果, 可以看出, 晶内颗粒相含有较高含量的C, Nb, W, Ti等元素, 结合XRD分析, 这些颗粒相可能是MC相。 晶粒内的MC相直接从液相中析出, 说明激光熔池的快速凝固没有抑制MC相的析出。 晶界颗粒相中C, Nb, W, Ti, Mo, Cr的含量较高, 颜色较晶内的颗粒相明亮。 结合一些文献报道, 分布于晶界和亚晶界上的颗粒相也为MC相, 这些 MC相是由凝固后期枝晶间溶质富集的残留液相通过共晶转变而来, 即L→ (γ+MC)
[7 ]
。
Rene95合金是时效强化型的高温合金, 合金中γ′沉淀相的体积分数、 分布及形貌决定了合金的多方面性能。 通过固溶时效处理, 可以提高合金的性能。 固溶时效处理的目的主要是: (1) 成分均匀化, 虽然激光熔化沉积成形过程中, 激光熔池的冷却速度很快, 但还不足以抑制一些元素的偏析, 一些高熔点元素如W, Mo倾向偏析于枝晶干, 而Nb, Ti, Al等元素倾向偏析于枝晶间, 通过均匀化处理可减轻上述偏析, 提高合金的高温组织稳定性; (2) 固溶处理, Rene95在凝固后期产生的 (γ+MC) 共晶, 一方面, 这些共晶组织的熔点较低, 另一方面, 这些共晶富含Nb, Ti, Al等γ′相形成元素, 通过固溶处理消除共晶组织, 将这些共晶和凝固过程中析出的γ′沉淀相重新溶入基体合金, 为析出弥散、 更高体积分数的γ′做准备; (3) 在固溶处理的基础上, 通过时效析出与基体共格的γ′沉淀相。 为了防止合金在高温下晶粒长大, 尽量减少合金在高温下的时间, 因此将固溶处理和均匀化处理同时进行。 参考粉末冶金Rene95合金的热处理制度, 考虑到激光熔化沉积成形过程中的偏析可能较粉末冶金严重, 采用了1250 ℃×2 h的固溶处理制度。 γ′沉淀相的形核是在固溶处理后的冷却过程中进行的, 快速冷却可增加形核率, 在随后的时效过程中, 沉淀相开始长大。
图4 沉积态Rene95合金中颗粒相的能谱分析结果
Fig.4 EDS analysis of particulates for as-deposited Rene95 superalloy (a) SEM morphology; (b) , (c) EDS spectrum corresponding to point 1 and point 2 respectively
图5 (a) , (b) , (c) , (d) 为沉积态及固溶处理+不同时间时效后材料的SEM照片。 可见, 在沉积态Rene95中已经有沉淀相的析出, 沉淀相为立方形态, 均匀弥散地分布于基体中, 但沉淀相的体积分数较低, 且沉淀相的尺寸较小。 经过固溶+8 h时效后, 沉淀相仍以立方共格析出, 但沉淀相的尺寸增加, 同时体积分数明显增多。 随着时效时间的增加, 沉淀相的尺寸进一步增加, 沉淀相的体积分数也随之增加。 图5 (c) 为经过16 h时效后, 每4个立方沉淀相聚集在一起, 形成六面体, 并且部分沉淀相有长成树枝状的趋势。 经过24 h时效后, 沉淀相的形态发生明显变化, 聚集在一起的沉淀相进一步长大成树枝状, 如图5 (d) 所示。 经过16和24 h时效后, 会析出更加细小的沉淀相, 这些沉淀相呈球形分布于先析出相的周围, 尺寸约为几十个纳米, 如图5 (c) , (d) 所示。 图5 (e) 为经过8 h时效后, 晶界上的碳化物的形态。 可见, 晶界上的碳化物呈现两种不同的形态, 一种成链状分布, 另外一种呈块状分布。 EDS分析表明, 成链状分布的碳化物中Cr含量较高, 而块状碳化物中Mo, W等的含量较高, 这些链状分布的碳化物为M23 C6 , 而块状的碳化物为M6 C, 这些碳化物是在时效过程中通过MC相的分解而成。 文献[9, 10]显示, 碳化物分解成M6 C的温度较分解为M23 C6 的温度高一些, 因此M6 C在高温下更稳定。 这些碳化物在晶界不连续的分布, 可以断开在晶界形成的裂纹, 提高合金的疲劳性能。
图5 不同热处理制度下的沉淀相γ′的形态
Fig.5 Morphology of γ′ with different heat-treatment (a) As-deposited; (b) , (c) , (d) (e) After heat treatment of 1250 ℃ 2 h and 800 ℃ for 8, 16, 24, and 8 h, respectively
一般来讲, 合金的显微硬度随着合金中共格沉淀相体积分数的增加而升高。 图6为经不同时效时间后Rene95合金的显微硬度。 沉积态Rene95合金的显微硬度为HV0.1 500左右, 经16 h时效后合金的显微硬度最大, 约为HV0.1 540, 这可能与沉淀相的体积分数增加有关。 进一步延长时效时间, 合金的显微硬度有所下降, 这可能是由于随着时效时间的增加, 沉淀相和基体失去共格关系, 共格弹性畸变程度降低, 从而使其硬度降低。
图6 不同时间时效后Rene95合金的显微硬度
Fig.6 Micro-hardness of Rene95 superalloy after aging for different time
合金的显微硬度反应了沉淀相的析出情况, 并且跟合金的强度有很大的相关性。 本文采用1250 ℃×2 h+800 ℃×16 h的热处理制度对力学性能试样进行了热处理, 其室温力学性能测试结果如表3所示。
可见沿沉积高度方向和垂直于沉积高度方向的力学性能有明显差别, 沿沉积高度方向上的强度和塑性均较垂直于高度方向的强度和塑性高。 沿沉积高度方向合金具有外延生长的定向凝固枝晶组织, 晶界较少, 因此表现出优良的塑性, 其塑性要高于粉末冶金A级水平。 在垂直于沉积高度方向上, 垂直于主应力方向上具有小角度晶界存在。 室温下, 晶界起到强化合金的作用, 理论上讲, 垂直于沉积高度方向的强度要高于沿着沉积高度方向的强度, 而实际上前者的强度较后者低很多, 这可能是由于沿小角度晶界分布着微裂纹。 Rene95合金的合金化程度很高, 其强度很高, 而塑性较低。 在激光熔化沉积成形过程中, 由于激光熔池的尾部存在很高的温度梯度, 使其受到很大的拉应力作用, 很容易出现沿晶界开裂的现象
[11 ]
。 通过适当的工艺措施, 可以抑制宏观开裂, 但为了释放沉积应力, 不可避免地会在小角度晶界出现微裂纹, 这可能是造成在垂直于沉积高度方向强度较低的原因。 沉积态合金的强度较粉末冶金C级水平略低, 一方面与成形过程中微裂纹的形成有关, 另一方面粉末冶金材料通常经过一定的塑性加工, 使合金内的位错密度增加, 强度进一步升高。 为进一步提高激光熔化沉积Rene95合金的力学性能, 可考虑采用热等静压, 消除沉积过程中形成的微裂纹。
表3 激光熔化沉积成形Rene95合金的力学性能
Table 3 Mechanical properties of the laser direct deposited Rene95 superalloy
σ b /MPaδ/%
1247
16.2
1045
7
Powder metallurgy
Level A
1590
10
Level C
1430
10
3 结 论
1. 利用激光熔化沉积成形工艺成功制备出具有外延生长定向凝固特征的Rene95镍基高温合金薄壁件。
2. 激光熔化沉积Rene95合金的凝固组织致密, 一次枝晶间距为20 μm左右, 二次枝晶细小甚至退化, 合金的偏析程度较低。
3. 通过热处理工艺可明显改善合金中γ′沉淀相的析出, 提高其力学性能, 经过1250 ℃×2 h+800 ℃×16 h的热处理后, 合金的显微硬度由沉积态的HV0.1 500提高到HV0.1 540。
4. 沿沉积高度方向和垂直于沉积高度方向上合金的力学性能存在明显的差别, 前者的强度和塑性优于后者, 且前者的塑性优于粉末冶金A级水平。
参考文献
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