激光增材制造镍基高温合金裂纹萌生演变机制及敏感性因素研究

The cracking is the key obstacle to the industrial application of laser additive manufactured Ni-based superalloy on remanufacturing, surface strengthening. In the project, we try to reduce or inhibit the crack in the deposited coating according to variation of deposited materials and affect the solidification, and monitor the distribution of residual stress in the deposited coating. The effect of microstructure and precipitation composition on the crack nucleation and propagation is investigated. The residual stress distribution and microstructural difference between coating interior zone and interface are compared to reveal the affect of residual stress and microstructure on the crack nucleation and propagation. The relationship between processing parameters, microstructure, residual stress distribution and crack sensitivity is establish to provide the theory and technology support for laser additive manufactured Ni-based superalloy on 3D print, remanufacturing repair and surface strengthening.

堆积层裂纹是激光增材制造技术应用于镍基高温合金零件再制造和表面强化的关键障碍。针对此问题，本项目提出采用通过改变填充材料特征和影响激光增材制造过程凝固行为，并采取对堆积层内部残余应力监控等措施，达到制备具有良好成形特征和微观组织的堆积层并减少或缓解堆积层裂纹的目的。建立堆积层裂纹形核和扩展与微观组织和析出相成分特征的映射关系；研究堆积层内部微观组织和界面结合处微观组织和析出相的差异性及其与裂纹形核和扩展的内在联系；分析堆积层内部残余应力分布对裂纹形核和扩展的作用机理；建立堆积层制备-微观组织-残余应力-裂纹敏感性间四面体模型。本项目的研究成果将为激光增材制造技术在镍基高温合金3D打印、再制造修复和表面强化改性等方面提供理论和技术指导。

本项目面向再制造工程，以激光熔覆镍基高温合金涂层为研究对象，主要研究内容有：激光熔覆涂层的制备及组织分析，冷却速度对熔覆层组织形态和成分偏聚的影响规律；多层堆积过程中的组织定向生长行为及多层堆积熔覆层中裂纹形态及裂纹敏感性因素分析等。.采用优化工艺参数可制备成形良好的激光熔覆INCONEL 718合金涂层。熔覆层横截面从底部到顶部依次形成平面晶、胞状晶、树枝晶和等轴晶形态组织。通过提高冷却速度，可抑制Nb偏聚程度并提高熔覆层中Nb的固溶强化作用。液氮强制冷却涂层Laves相中Nb含量约为8.5~14 mass. %，显著改善了熔覆层中Nb的偏聚程度。激光重熔涂层中有尺寸约0.2~0.9 μm的颗粒状Nb(Al, Ti)复合相在Laves相处于999 ℃析出。熔覆层中有颗粒状碳化物(Nb0.12Ti0.88)C1.5和四方状氮化物(Nb0.88Ti0.12)N1.5析出。通过EBSD分析发现堆积熔覆层底部横截面树枝晶组织具有沿堆积方向较强的织构取向。熔覆层横截面中间区域组织沿<001>方向形成晶界取向差约2°的强织构组织。熔覆层组织在顶部横截面沿<001>方向生长且具有小角度晶界取向和大晶粒尺寸特征。.堆积熔覆层中的裂纹为结晶裂纹和液化裂纹。横向拉应力可使尖端处存在应力集中的熔覆缺陷和小液化裂纹，在粗大Laves相和碳化物共晶处，沿堆积方向和激光熔覆方向扩展，液态金属来不及填充开裂的枝晶间隙，裂纹末端在熔覆层顶部和熔覆结束点愈合，而形成液化裂纹。熔覆层中低熔点粗大连续Laves相或碳化物共晶均可为液化裂纹提供扩展通道；熔覆层中随堆积层数增加而增大的横向残余应力可诱发小裂纹扩展而增加裂纹敏感性。.熔覆层中只有少部分Nb以γ″-Ni3Nb析出。高温固溶可使Laves相中的Nb重溶到奥氏体γ中，在时效过程中以尺寸为15~25 nm的γ″-Ni3Nb在晶内弥散析出。标准热处理熔覆层的650 ℃高温拉伸性能高于980STA态熔覆层和直接时效态熔覆层。织构组织的形成引起熔覆层力学性能各向异性。熔覆层在激光行走方向和搭接方向高温拉伸时均为韧性断裂和脆性断裂相结合，沿堆积方向的断口完全由韧窝组成，断裂方式为韧性断裂。