激光增材制造鎳基高溫合金拉伸性能研究

來源： 材料熱處理工程師

采用激光增材和傳統(tǒng)鑄造法制備了一種鎳基高溫合金，并通過掃描電鏡觀察了熱處理后兩種狀態(tài)合金的微觀組織結構，測試了從室溫到1000 ℃時試樣的拉伸性能，觀察了試樣斷口特征。結果表明，激光增材制造的合金組織較不均勻，枝晶干區(qū)域內沉淀相較規(guī)則，而枝晶間區(qū)域沉淀相形貌粗大且不規(guī)則，且抗拉強度和塑性略低于普通鑄造法制備的合金。室溫條件下，激光增材和普通鑄造試樣均以解理斷裂為主；中溫拉伸斷裂時，二者均以剪切斷裂為主；高溫拉伸斷裂時，二者均以微孔聚集型斷裂為主。應優(yōu)化激光增材制造熱處理工藝，提高合金內部組織均勻性，改善其強度和塑性。

１ 試驗材料和方法
所用 合 金 為 Ｎｉ－Ａｌ－Ｔａ－Ｍｏ－Ｗ－Ｃｒ－Ｔｉ－Ｃｏ系 高 溫 合金，同時加入了 一 定量的 Ｂ 元素用于強化合金內的晶界，其具體成分見表１。首先采用真空感應熔煉法熔煉出設計成分的合金錠，再分別采用傳統(tǒng)高速水冷定向凝固法和激光增材制造法制備出兩組試樣，為了便于區(qū)分，將兩組試樣分別表示為 ＤＺ９８Ｍ 和 ＬＥＮ９８Ｍ。

DZ98M 合金采用ZGG－0.00２型普通工業(yè)用定向凝固爐制備，定向凝固速率為 ５ ｍｍ／ｍｉｎ，真空度為0.02Ｐａ，制備的試棒尺寸為φ15ｍｍ×200ｍｍ。采用氬氣超聲霧化方法將 LEN98Ｍ 合金錠制備成近球形顆粒，手工篩選 出100～150目的粉 末，采用自主研制的CO2激光增材設備制備出塊狀LEM98M合金。兩種試樣采用相同的熱處理工藝：1275 ℃×４ｈ，空冷＋1080℃×４ｈ，空冷＋870 ℃×２４ｈ，空冷。

２ 試驗結果分析

２.１ 合金熱處理態(tài)組織
圖２為兩組不同方法制備的合金熱處理后的組織�？梢钥闯�，傳統(tǒng)鑄造法制備的合金組織呈典型的立方體形貌（見圖２ａ），枝晶間和枝晶干處沉淀相的形貌無明顯差別，在枝晶間處可以發(fā)現(xiàn)較明顯的亞晶界結構（見圖２ｂ）。激光增材法制備的合金枝晶干處沉淀相呈現(xiàn)較為規(guī)則的立 方 體 形 貌（見 圖２ｃ），但 枝 晶 間 的 沉 淀 相形貌非常不規(guī)則，且平均尺寸較大（見圖２ｄ）。

對兩組合金的沉淀相形態(tài)進行統(tǒng)計（見表２），采用ImageＪ軟 件 對 沉淀相的平均尺寸進行分析�？梢钥闯觯珼Z98M 合金的枝晶干沉淀相平均尺寸與枝晶間的幾乎相同，而LEN98M 合金的枝晶間區(qū)域沉淀相平均尺寸較枝晶干處顯著增加。

２.２ 力學性能分析
圖３為DZ98M 和 LEN98M 合金在不同溫度下的力學性能�？梢钥� 出，在室溫～1000 ℃范圍內，兩組合金的抗拉強度不同。在室溫～600 ℃范圍內，二者抗拉強度隨溫度的變化并不明顯；隨后 DZ98M 合金的抗拉強度明顯升高，760 ℃時達到峰值，之 后隨溫度的升高逐漸降低，直至 1000 ℃ 時達到最低值。對于LEN98M 合金來說，溫度高于600℃后，其抗拉強度隨溫度的升高逐漸降低，并未出現(xiàn)類似 DZ98M合金的抗拉強度峰值現(xiàn)象，除此之外，二者抗拉強度的測試值隨溫度變化趨勢基本一致。

從圖３中還可以看出，屈服強度隨溫度的變化趨勢相似。在室溫～600℃范圍內，二者屈服強度隨溫度的升高略有降低；隨后屈服強度隨溫度的升高而升高，到760℃時達到峰值；在760～1000 ℃范圍內，屈服強度隨溫度的升高而逐漸降低，直至 1000 ℃ 時達到最低值。雖然兩組合金屈服強度隨溫度的變化趨勢相似，但總體來說，DZ98M合金的屈服強度高于激光增材法制備的LEN98M合金。

此外，LEN98M合金的伸長率從室 溫 到600 ℃時逐漸增加，在600 ℃時達到最大值，但在760 ℃時其伸長率明顯降低，而后隨溫度的升高，伸長率又逐漸升高。而 DZ98M 合金的伸長率隨溫度的升高而逐漸升高。

２.３ 拉伸斷口分析
不同溫度下 DZ98M 和 LEN98M 合金的拉伸斷口形貌見圖４～圖７。 DZ98M  合金的斷口表面宏觀上比較平坦，未形成明顯的剪切唇，以解理斷裂形式為主；斷口表面可以觀察到大量的解理小平面，不同的解理面之間通過撕裂棱相互連接，沿垂直于應力方向的擴展平面相互轉換時形成了較明顯 的河流狀花樣形態(tài) （見 圖４ａ）。LEN98M合金室溫拉伸斷裂后，斷口表面宏觀形貌也比較平直，微觀上可以觀察到大量的二次裂紋，同時斷口上也分布著大量的解理小平面和河流狀花樣條紋（見圖４ｂ）。由此可見，室溫拉伸時，二者都是以解理斷裂為主要失效方式。

600 ℃拉伸斷裂后，DZ98M 合金試樣邊緣出現(xiàn)了較明顯的剪切唇，并且試樣宏觀上呈較明顯的剪切斷裂特征，形成了較大面積的剪切平面，剪切面的方向與應力軸方向大致呈４５°，剪切面上也由于不同滑移面的交換轉變而形成了一定數(shù)量的撕裂棱（見 圖 ５ａ）。對 于LEN98M合金來說，其宏觀上也形成了較明顯的剪切唇，斷口表面也主要呈剪切斷裂形態(tài)特征，微觀上可以觀察到一定數(shù)量的解理小平面和臺階，并且有少量的二次裂紋出現(xiàn)（見圖５ｂ）。

在760 ℃拉伸斷裂后，DZ98M 合金的宏觀斷口也呈典型的剪切斷裂形貌，斷口上形成了大面積的剪切平面，剪切平面上也出現(xiàn)了少量的撕裂棱和解理小臺階，同時也可以觀察到一定數(shù)量的河流狀花樣條紋（見圖６ａ）。而該條件下的 LEN98M合金試樣 則呈較為起伏的微觀形貌，初步判斷該形貌為沿晶斷裂特征，且可以觀察到一定數(shù)量的二次微裂紋（見 圖６ｂ）。因 此，該條件下LEN98M合金的拉伸斷裂失效形態(tài)應為沿晶斷裂。

在1000 ℃拉 伸 斷 裂 后，DZ98M  合金的斷口宏觀上呈較為平坦的形貌，微觀上可以觀察到大量的韌窩和撕裂棱 ，斷口表面塑性變形特征明 顯 （見 圖７ａ）。而LEN98M 合金拉伸斷裂后表面也呈較為平坦的形貌，但其表面韌窩數(shù)量較 DZ98M 數(shù)量較少，且其斷口表面可以觀察到較多的二次裂紋（見圖７ｂ）。

３ 結 論

（１）激光增材制造鎳基高溫合金組織較不均勻，枝晶干區(qū)域內沉淀相較規(guī)則，而枝晶間區(qū)域沉淀相形貌粗大且不規(guī)則；傳統(tǒng)鑄造法制備的合金內部不同區(qū)域的微觀組織不存在較明顯的差別。

（２）激光增材制造鎳基高溫合金的抗拉強度和塑性略低于普通鑄造法制備的合金，這與激光增材后試樣內部組織結構不均勻性有關。室溫條件下，激光增材和普通鑄造試樣均以解理斷裂為主；中溫拉伸斷裂時，二者均以剪切斷裂為主；高溫拉伸斷裂時，二者均以微孔聚集型斷裂為主。

（３）激光增材制造鎳基高溫合金拉伸斷口表面通常會觀察到一定數(shù)量的二次裂紋，這與試樣晶界附近沉淀相形貌不規(guī)則的組織特征有關。

（４）為了提高激光增材鎳基高溫合金的力學性能，應優(yōu)化其熱處理工藝，提高合金內部組織均勻性，改善其強度和塑性。

文章引用：薛慶增,趙成磊,劉紀德等.激光增材制造鎳基高溫合金拉伸性能研究[J].特種鑄造及有色合金,2021,41(11):1350-1354.DOI:10.15980/j.tzzz.2021.11.006.