激光熔覆K4169高温合金铌偏聚行为及其对组织、热裂纹影响研究

K4169 superalloy is widely used in aerospace.Segregation of Nb exists in laser cladding K4169 superalloy, and influences the microstructre of the alloy and resistance to hot cracking. The problem restricts the application of the alloy and is needed to be studied. This project includes three parts: (1) Solidification. Solidficaiton of the cladding is investigated by an FEA model. The relationship between cladding patameters and solidification is analyzed. (2) Microstructure Analysis. The influence of solidificaiton on microstructure is studied. (3) Hot cracking sensitivity. Based on microstructure analysis, the influence of microstructure of the alloy on hot cracking is also discussed. Focusing on the key factor of Nb segreagtion, a coupled system including factors of cladding parameters, solidification condition, microstructure, hot cracking, is established based on the results of above three parts. This study provides considerable benefit of knowledge on soldificaiton of cladding K4169 superalloy, transition of mictrostructre during solidification and the influence of microstructure on hot cracking. This study also provides a reference for improving the performance of K4169 superalloy by optimization of microstructure using solidificaiton control method.

K4169高温合金广泛应用于航空领域。采用激光熔覆技术制备K4169合金存在铌偏聚现象，强烈影响合金微观组织及热裂纹敏感性，限制合金应用，需开展相关基础研究。分三部分：(1)凝固过程。采用有限元法分析熔覆凝固过程，建立熔覆工艺与合金凝固条件定量关系；（2）组织分析。研究凝固条件对合金微观组织影响规律；（3）热裂纹敏感性。运用组织分析方法，分析合金组织对热裂纹萌生扩展影响规律。综合分析，建立以铌偏聚为核心，熔覆工艺－凝固条件－组织-热裂纹敏感性之间的关联体系。本项目研究有助于认识激光熔覆K4169合金凝固过程，掌握凝固过程中组织变化规律及其对热裂纹影响，对于采用凝固过程控制方法优化合金组织、提高合金性能的熔覆工作有重要指导作用。

K4169合金是当前航空领域应用最广泛的镍基高温合金。随着现代制造业的发展，激光熔覆技术被用于制造K4169镍基高温合金。本项目开展了针对激光熔覆K4169高温合金铌偏聚行为及其对组织、热裂纹影响的研究，在激光熔覆工艺与材料的微观组织之间建立联系，以达到组织控制、提高材料性能的目的。项目的研究内容主要包括：（1）K4169合金激光熔覆过程分析，建立熔覆条件对合金凝固条件的影响规律；（2）K4169合金在激光熔覆快速凝固过程中组织演变分析，建立凝固条件对凝固组织演变的影响规律；（3）K4169合金微观组织对合金热裂纹敏感性影响规律研究。经过本项目以上三方面内容的研究，获得了如下成果：（1）建立了激光熔覆过程数值模型，分析了熔覆材料在熔覆过程中所经历的粉末送粉过程、材料受激光辐射加热过程、熔覆材料在基体表面成形过程、以及材料冷却凝固过程，全面地分析了熔覆工艺对凝固条件的影响规律；（2）建立了K4169合金组织演变模型，具体地分析了K4169合金在快速凝固过程中所发生的树枝晶生长以及相变过程，建立了凝固条件对组织演变的影响规律；（3）建立了K4169合金微观组织特征对合金热裂纹影响规律，在材料的微观组织与性能之间建立联系。综合以上三部分的研究结果，建立了熔覆工艺-凝固条件-微观组织-热裂纹敏感性之间的关联体系。该研究体系的核心是凝固，通过熔覆工艺的调整，改变合金在激光熔覆过程中的凝固条件，主要是温度梯度和冷却速度，以影响到合金的凝固行为，即树枝晶的生长以及相变行为，最终影响到合金的组织以及力学性能（热裂纹敏感性）。本项目发表SCI学术论文2篇，其中一篇关于组织演变发表于Acta Materialia期刊上，另一篇关于熔覆过程模拟发表于Surface and Coatings Technology期刊上。此外，本项目参加国际学术会议交流2次。本项目的完成，有利于深入地理解K4169高温合金在快速凝固过程中所发生的组织演变行为，包括树枝晶的生长方式、形态、尺寸，以及材料在凝固过程中的相变行为，对于采用凝固条件的控制来优化合金微观组织的激光熔覆工作具有重要的基础理论指导作用。