激光增材制造沉淀强化镍基高温合金热裂纹研究进展

针对沉淀强化镍基高温合金中的裂纹现象,对比了2类热裂纹（即凝固裂纹和液化裂纹）的典型特征、形成位置和条件。从枝晶生长、元素偏析、强化相析出、固态相变和残余应力应变等角度,系统综述了热裂纹的形成机理和热裂纹敏感性影响因素。在此基础上,从合金成分调控、工艺参数优化、基板预热以及热等静压处理等方面,概述了增材制造高温合金热裂纹调控和抑制的主要措施。最后,针对激光增材制造沉淀强化镍基高温合金热裂纹研究中存在的问题,提出了进一步研究和发展的建议,为实现无裂纹镍基高温合金的增材制造提供了参考。     

增材制造用新型镍基高温合金的设计与开发

为了满足增材制造专用镍基高温合金成分优化设计需求，采用机器学习(machine learning, ML)和抗裂因子筛选相结合的综合设计策略开发了新型镍基高温合金。热力学计算结果表明，该合金凝固温度范围窄，在临界温度区间内凝固速度快，且收缩总应变及最大应变速率很小，表现出良好的凝固特性。利用选区激光熔化技术制备了新型合金，在成形试样的纵截面和横截面金相中未发现明显裂纹，合金表现出良好的抗裂性能。通过热处理工艺优化，合金在900℃时效后γ′相分数达到44.6%，组织内未见任何TCP相析出，实现了镍基高温合金在增材制造中抗裂性与力学性能的平衡。提出的综合设计策略可为增材制造领域中新材料的快速研发提供新的思路。     

选区激光熔化制备镍基高温合金的研究进展

综述了镍基高温合金选区激光熔化技术（Selective Laser Melting,SLM）的研究进展。通过阐述IN718沉积态典型凝固组织及性能的变化规律,发现IN718合金工艺参数不匹配引起的微观缺陷难以消除,并在增材制造过程中存在裂纹的问题;结合激光增材制造过程中工艺参数对沉积态组织的影响、热处理后组织的变化及其对力学性能的影响等方面的研究,对镍基高温合金选区激光熔化技术予以展望,为镍基高温合金选区激光熔化技术的发展提供参考。     

激光增材修复K465高温合金裂纹控制研究

采用激光增材技术修复了损坏的K465镍基高温合金航空发动机涡轮叶片,研究了激光增材修复K465高温合金的裂纹特征,分析了开裂机理,并采取有效措施实现了裂纹控制。结果表明:激光增材修复K465合金的裂纹产生于热影响区,并沿晶界扩展到修复区中,为液化裂纹;热影响区晶界上的连续液膜来源于晶界上大尺寸γ′相的液化,且晶界液化过程中有γ-γ′共晶出现;利用Ansys软件进行应力场模拟的结果显示,基材及熔池之间存在较大热应力;通过同步预热基材,并采用优化的激光工艺参数,实现了K465高温合金单道多层结构的无裂纹激光增材修复。     

铸造镍基高温合金增材修复技术的研究现状

铸造镍基高温合金广泛用于燃气轮机与航空发动机叶片等高温部件,长时间运行过程中经常发生叶片局部损伤失效,其维修或更换成本极高。通过增材修复来恢复局部损伤叶片的性能,将极大地降低制造成本、缩短制造周期、节约资源,具有极大的社会效益和市场价值。本文针对燃气轮机与航空发动机用铸造镍基高温合金部件的服役工况与失效形式,结合铸造镍基高温合金的成分、组织与性能特点,系统分析了增材修复时出现裂纹的类型、特点及形成机理,阐述了各类裂纹的主要影响因素,从增材工艺和材料两方面分类综述了减少或避免裂纹的增材修复工艺与技术现状,分析了不同增材修复方法的优缺点与未来可能的研究热点。     

高Al、Ti含量镍基高温合金激光、微弧火花表面熔焊处理研究进展及解决熔焊裂纹的途径

Al、Ti是镍基高温合金主要沉淀强化元素,随着Al、Ti含量的增加,镍基高温合金γ'-Ni3(Al,Ti)相体积百分数增加,高温强度增加,但是热裂纹敏感性也随之增加,如何利用熔焊工艺实现高Al、Ti镍基高温合金材料的表面无损伤熔焊处理一直是高Al、Ti镍基高温合金叶片与热端部件制造与再制造面临的难题.文中从高温合金表面熔焊修复与强化问题出发,着重介绍了高温合金焊接冶金问题及焊接性改善途径、激光与微弧火花两种低热输入熔焊工艺在高温合金表面修复与强化领域的研究与应用进展.分析表明:高Al、Ti镍基高温合金表面熔焊处理的主要难题是其高的热裂纹敏感性,主要表现在焊接或焊后热处理过程中容易产生凝固裂纹、液化裂纹、应变时效裂纹,采用惰性气体保护、改变基体组织状态、使用低强度的合金焊料、降低热输入等措施可有效改善其焊接性;激光、微弧火花等低热输入焊接工艺在解决高Al、Ti镍基高温合金表面熔焊问题方面具有极大的潜力.     

NiFe基合金激光增材制造热裂纹形成机理及调控

针对NiFe基高温合金增材制造过程易出现热裂纹的问题,开展该合金热裂纹形成机理的研究,提出通过层间温度控制以及粉末氮化的方法,降低NiFe基高温合金激光增材过程中的热裂纹敏感性.?结果表明,热裂纹的出现主要是由于元素偏析以及热应力所引发的,热裂纹位置大多在大角度晶界处,这是由于大角度晶界中能量较高,在冷却过程中,晶界内...     

Inconel 617镍基合金电弧增材制造微观组织与力学性能

电弧增材制造技术基于分散累加原理,可实现镍基高温合金复杂结构快速无模加工,是一种广受关注的先进加工技术。该研究以高温耐蚀合金Inconel 617增材制造块体为研究对象,采用OM,SEM及万能拉伸试验机等手段分析了增材制造镍基合金块体微观组织及力学性能。研究结果表明,Mo元素在柱状枝晶间偏析,促使大尺寸的Laves相沿枝晶析出。在拉伸应力下,Laves相由于脆性较高,易发生断裂,诱发裂纹萌生。由于裂纹扩展路径在不同方向拉伸时存在显著差异,导致增材制造构件沿沉积方向强度（900 MPa）显著高于垂直沉积方向强度（700 MPa）。该研究为电弧增材制造镍基合金的组织性能调控奠定了一定基础,为进一步推动电弧增材制造镍基合金构件的应用进行了有益探索。     

增材制造高强韧高熵合金中基于切变型相变的微裂纹抑制机理

研究选区激光熔化增材制造FeMnCoCrNi体系高熵合金的微裂纹行为,并采用XRD技术对激光打印后样品表面的残余应力进行分析。结果表明,经激光打印后等原子比FeMnCoCrNi高熵合金显示为稳定的单相面心立方(FCC)结构,出现残余拉应力,并产生微裂纹。相比之下,具有低层错能的非等原子比亚稳FeMnCoCr高熵合金在各种激光能量密度下均出现残余压应力,且无微裂纹形成。在激光熔化后的冷却过程中,亚稳高熵合金中发生的从FCC基体相到密排六方(HCP)相的切变型相变消耗了激光打印过程中的热应力,从而抑制微裂纹的产生。此外,相比于单相稳定高熵合金,亚稳高熵合金在拉伸变形过程中马氏体相变也有助于提高其抗拉强度和延展性。这些结果为增材制造领域设计开发高强、高韧、无裂纹的合金提供有益参考。     

《中国表面工程》2010年第5期

高Al＋Ti含量镍基高温合金激光、微弧火花表面熔焊处理研究进展及解决熔焊裂纹的途径Al、Ti是镍基高温合金主要沉淀强化元素,随着Al＋Ti含量的增加,镍基高温合金γ-Ni,（Al,Ti）相体积百分数增加,高温强度增加,但是热裂纹敏感性也随之增加,如何利用熔焊工艺实现高Al＋Ti镍基高温合金材料的表面无损伤熔焊处理一直是高Al＋Ti镍基高温合金叶片与热端部件制造与再制造面临的难题。     

Inconel625镍基高温合金激光增材制造零件的开裂行为研究

为研究激光增材制造零件的宏观开裂行为,获得裂纹类型、扩展方向以及裂纹长度等相关规律,在Inconel625镍基高温合金上进行激光增材制造加工实验,对成形零件上出现的各类裂纹进行分析统计。结果表明:在激光增材制造加工过程中零件裂纹易在以下区域萌生:内应力集中区,基层和成形件结合处,成形零件薄弱环节,二次成形加工区域以及成形质量较差的区域。各区域裂纹的成因以及形貌特征各不相同。     

激光增材再制造IN939修复区显微组织与拉伸性能研究

目的 研究采用IN939粉材对镍基高温部件增材修复的可行性,获得增材修复区微观组织与性能分布规律,为燃机部件修复提供支持.方法 探索了IN939合金激光熔覆成形工艺,并进一步开展了IN939增材修复镍基合金梯形槽试验研究,分析了增材修复区显微组织结构与物相组成,研究了激光再制造过程组织变化对修复区显微硬度、拉伸性能的影响.结果 IN939激光修复区形貌良好,组织致密,无明显裂纹、气孔等缺陷.熔覆层主要存在γ奥氏体相和Laves相.IN939修复区由底部至顶部,冷却速率逐渐减小,导致一次枝晶间距逐渐增大,Laves相分布先增多后略有减小.修复区界面处的平均横向残余拉应力为346 MPa.修复区显微硬度由底部至顶部呈现先增大后略有减小的趋势,修复区的平均显微硬度强于基体.修复件的平均屈服强度为548 MPa,极限抗拉强度为959 MPa.激光修复件的拉伸断裂于基体上,显示出IN939合金与基体良好的冶金结合.结论 激光增材修复后,IN939镍基合金修复区的机械性能与结合性能良好,采用IN939粉材进行镍基高温合金的激光增材修复具备可行性.     

增材制造高温合金组织及缺陷研究进展

增材制造作为一种先进的数字化制造技术,广泛应用于高温合金制备研究中。介绍了增材制造高温合金的微观组织基础上,梳理增材制造过程中的气孔种类及特征,回顾了裂纹种类及开裂倾向性模型的发展过程,综述数值模拟技术在增材制造高温合金性能优化的应用,并对增材制造高温合金的研究和发展进行了展望。     

激光近净成形GH99合金的裂纹分析

对GH99合金在激光近净成形过程中裂纹形成的原因进行了研究和讨论,提出了优化工艺参数的解决办法。结果表明:内部裂纹呈现为短线状-针状,其在柱状晶晶界或二次枝晶间形成,垂直于沉积方向,沿细密的定向组织晶界分布和扩展;在晶界上Al和Ti元素的富集容易析出γ′(Ni_3(AlTi))相,弱化了晶界,使晶界熔化并在凝固时难以补缩,造成裂纹形核;在快速的热循环过程中,残余应力的不断累积造成裂纹沿晶界扩展;通过优化工艺参数以降低热输入,可以克服GH99合金在激光近净成形中的热裂纹形成,实现构件的无裂纹增材成形。     

沉淀强化镍基高温合金熔化焊液化裂纹研究进展

沉淀强化镍基高温合金由于具有优异的高温强度和耐热腐蚀性而被广泛应用于航空发动机和工业燃气轮机的热端部件。但是这类合金在焊接过程中具有较高的液化裂纹敏感性,影响部件的使用寿命和性能。系统地阐述了沉淀强化镍基高温合金熔化焊液化裂纹的形成机理,介绍了几种控制液化裂纹的方法,包括增大焊接热输入、焊前预热、焊前热处理和添加中间层,最后指出了今后的主要研究方向。     

增材制造钛合金凝固晶粒调控研究进展

钛合金由于比强度高、耐腐蚀好、高温性能好等优异的性能而广泛应用于航空航天、船舶、核电等领域。增材制造技术为大型整体关键钛合金构件的短周期、低成本制造提供了变革性途径,但增材制造产生的粗大柱状晶组织导致了构件的各向异性,限制了合金性能的充分发挥。进行晶粒调控以消除各向异性、提高力学性能成为近些年的研究热点。本文简述了增材制造钛合金构件典型晶粒形貌及形成机制,阐述了国内外在增材制造钛合金晶粒调控方面的研究进展,包括工艺参数优化、微合金化改性与新合金成分设计、外加能量场、后续热处理、新型增材制造工艺和多种方法复合等,总结了各类方法的调控机理和调控效果,对增材制造钛合金凝固晶粒调控的未来发展提出了思考与展望。     

FORMATION OF (γ+γ') EUTECTIC AND CONTROL OF σ-PHASE IN A HIGH Al-Ti CAST Ni-BASE SUPERALLOY

高铝钛铸造镍基高温合金的凝固与偏析是极复杂的过程,本文测定了凝固过程中各种相的形成顺序、成分变化及合金元素的分配系数等,着重讨论了(γ+γ′)共晶的形成过程和控制该合金析出σ相的办法。     

镍基高温合金表面激光熔覆Inconel738合金层的开裂行为

针对镍基高温合金叶片强化与修复的需求,在高温合金K438基体上激光熔覆Inconel 738合金涂层。分析了基体组织及熔覆层中微观缺陷对熔覆层裂纹的影响。结果表明,激光熔覆时大多数裂纹是从基体一侧形成后深入到熔覆层中或产生于层与层之间的搭接区,裂纹沿晶界扩展。沿晶界分布的低熔点共晶物是主要的裂纹源。激光熔覆时,晶界处的γ/γ′低熔点共晶物熔化,形成晶界液膜,冷却时,在残余拉应力的作用下被拉开,形成裂纹,裂纹一旦形成就会沿晶界迅速扩展。     

金属激光增材制造材料设计研究进展

激光增材制造被公认为是解决个性化、复杂化金属构件整体成形难题的有效技术手段。现有金属增材制造的研究主要从传统合金牌号出发,但基于平衡凝固过程设计的传统合金成分难以满足增材制造的非平衡冶金动力学特点,往往面临高裂纹敏感性、低韧低疲劳、各向异性等共性问题。因此,需要开展面向激光增材制造的新型材料成分设计研究,充分挖掘增材制造非平衡凝固特性的潜在优势与价值。本文综述了铝合金、钛合金、铁基合金、镁合金等不同材料现有合金牌号增材制造的技术瓶颈,以及面向增材制造的材料创新设计方法与新型合金及其复合材料发展的研究进展。最后提出了金属增材制造材料设计的未来发展趋势。     

快速凝固对DZ98M成分合金微观组织的影响

本文采用激光增材制造技术(LEN98M)和传统定向凝固技术(DZ98M)制备镍基高温合金,通过OM,SEM,EDS,XRD,EPMA,DTA等方法分析比较合金的枝晶形态、微观组织、凝固特征温度、元素偏析情况。结果表明,LEN98M合金的一次枝晶间距约为70μm,仅为传统铸造合金DZ98M的1/5,二次枝晶不发达。在枝晶尺度范围内LEN98M合金存在更加明显的偏析行为,γ?相尺寸大且形态不规则,无碳化物析出,枝晶间共晶为尺寸小更加分散的γ?块状。