镍基高温合金激光熔化沉积技术的研究现状

镍基高温合金激光熔化沉积技术的研究现状

高飞任维

中航（沈阳）高新科技有限公司辽宁沈阳110000

摘要：综述了激光熔化沉积技术在镍基高温合金中的研究现状，主要从成形工艺、热处理制度及复合加工三个方面进行了介绍。激光熔化沉积技术不仅用于制造大型较复杂高温合金结构件，并广泛用于高温合金件的修复，从而可以节省成本，因此该技术在增材再制造领域具有广阔的发展前景。

关键词：激光熔化沉积技术；镍基高温合金；热处理；修复

ResearchstatusoflasermeltingdepositiontechnologyinNi-basedsuperalloy

Abstract：ResearchstatusofNi-basedsuperalloyarereviewedbylasermeltingdepositiontechnology，mainlyfromtheformingprocess，heattreatmentandduplexmanufacturingthreeaspectswereintroduced.LMDtechnologyisnotonlyusedinthemanufactureoflargecomplexstructureofsuperalloy，andiswidelyusedfortherepairofsuperalloyparts，whichcansavethecost，sothetechnologyinthefieldofremanufacturingmaterialhasbroadprospectsfordevelopment.

Keywords：lasermeltingdeposition；Ni-basedsuperalloy；heattreatment；repair

由于镍基合金能够在高温下工作，具有较好的耐热性及耐腐蚀性，还具有稳定的组织和较强的合金化能力，因此被广泛应用于先进航空发动机涡轮叶片等关键热端部件。随着航空航天装备中的结构件越来越趋向于精密复杂，传统的热加工成形工艺已无法满足结构件的设计和制造要求，比如锻压工艺不能完全消除由于铸造过程中引起的宏观偏析、缩松缩孔和白斑等缺陷，激光熔融沉积技术（LaserMeltingDeposition，简称LMD）弥补了这些传统加工技术的不足。LMD成形过程中熔池凝固所具有的高温度梯度和高冷却速率等特征，可使材料的固溶极限扩大，亚结构细化，并在一定程度上改善微观偏析[1-5]。

1LMD技术原理

LMD就是通过激光的能量将同轴送出的金属粉末融化，并在基体上形成熔池，伴随着激光光斑的水平移动，金属粉末在熔池融化并与基体形成冶金结合，然后逐层堆积生长成所需的三维立体构件。通常为了防止成形过程中的氧化，需要在惰性气体（如氩气）环境中进行来获得成形质量好的零件，其加工过程如图1所示[6]。

图1LMD加工过程示意图[6]

2LMD技术在高温合金中的研究方向

2.1成形工艺

送粉速率、激光功率、扫描速度、光斑直径、原料吸光率等因素会影响沉积的表面形貌，继而影响成形试样是否会产生裂纹等缺陷[7]。在LMD成形过程中，由于道内区域和搭接区域受热不同，所以进行下一道次沉积时，搭接区域的上部会发生重熔，造成道内区域和搭接区域保持下来的残余应力不一样。Liu[8]等通过测量LMDGH4169合金沉积态内部微区的残余应力，发现沉积态的道间搭接区域残余应力和道内中心区域残余应力差异很大，这种差异导致材料经固溶处理后再结晶晶粒尺寸分布不均匀。

姜华[9-10]等通过单道扫描和多道扫描制备了DZ408镍基高温合金试样，如图2所示，单道扫描试样的组织致密，在垂直扫描方向（即沉积方向）的组织为定向性良好的枝晶，而在扫描方向，由于枝晶受熔池形状的影响，生长方向向扫描方向倾斜。在LMD过程中获得致密定向微细柱状晶的关键要素就是需要选取足够大的重熔率，从而将非定向自由生长树枝晶层和疏松区重熔。

图2垂直于扫描方向的金相组织（a）及顶层金相组织（b）[10]

Zhang[11]等在研究LMD成形Inconel718合金的微观结构及元素的偏析时提出了一组LMD优化工艺参数，利用该组参数得到的Inconel718合金的平均柱状晶间距为5µm-10µm。

仲崇亮[12]研究开发了具有高沉积率LMD增材制造实验系统，该系统可实现3mm-9mm可变光斑直径工作，且具有高灵活性、高粉末效率和利用率，加工得到的Inconel718试样，其常温力学性能，如材料的硬度、抗拉伸强度、延展性等，均优于AMS对铸造和锻造加工的GH4169材料的相应标准。李进宝[13]等对Inconel625合金成形参数进行了无量纲化，并对工艺参数与单道沉积层几何形貌间的关系进行了分析。结果表明，特征能量比为0.5-0.7时，粉末完全熔化且不造成能量剩余，沉积层呈现平滑的椭圆形；当送粉速率恒定时，激光功率对熔池深度影响较大。

2.2热处理制度

宋衎[14]等研究了经过高温均匀化固溶处理+中间δ时效处理+双级时效处理的LMD成形Inconel718合金的组织及力学性能，并通过位错组态来分析合金中各类析出相的强化机制。如图3所示，γ''相呈圆片状，弥散分布在γ基体中，γ''相与γ基体的晶格错配会在其周围形成应力场，从而阻碍位错运动。位错与γ''相的相互作用为位错切割γ''相以及位错绕过γ''相，在位错绕过γ''相的区域，位错密度比位错切割γ''相区域高（图3中B区域）。γ''相析出密度较大的区域其位错密度也大，位错之间相互缠绕，阻碍位错运动，从而有利于提高合金的强度。并且位错会在δ相和碳化物中发生塞积缠绕，来阻碍位错运动。LMD成形Inconel718合金热处理态的抗拉强度、屈服强度、延伸率以及断面收缩率均达到锻件标准。

图3热处理后LMD成形Inconel718合金中γ''相的TEM明场像、暗场像[14]

赵晓明等[15]通过对LMD成形Inconel718合金组织和性能的研究，发现Inconel718成形件经热处理后的室温拉伸和持久强度超过铸件的强度并接近锻件的强度，但是高温时的持久塑性还比较低。P.L.Blackwel[16]通过对LMD成形Inconel718合金进行热等静压和热处理，发现Inconel718成形件热处理后的强度和塑性完全超过了相应锻件的力学性能。杜博睿[17]等经过固溶时效热处理后发现GH4169合金试样晶粒得到细化，晶粒内部仍保留枝晶亚结构；并且显微硬度及抗拉强度较沉积态大幅提高，塑性有所下降，但整体优于锻件技术标准。明宪良[18]等从γ''相的高温粗化的角度，研究发现LMD成形GH4169合金中γ''相的粗化激活能略高于锻件GH4169合金的γ''相粗化激活能，从而说明LMD成形GH4169合金的组织稳定性优于锻件。赵卫卫[19]等研究了不同热处理条件对LMD成形的Inconel718合金组织和性能的影响。研究发现，经双级时效热处理后，Laves相颗粒完全固溶，细针状δ相沿晶界析出，成分偏析降低，各向异性现象消失，室温、高温下的力学性能（抗拉强度和塑性）均达到了高强锻件的技术标准。

2.3复合加工

余小斌[20]等发现电磁搅拌能一定程度上提高LMD成形GH4169合金沉积态晶粒的均匀性，当磁场强度达到50mT时，材料沉积态的抗拉强度达到1048MPa，提高了约100MPa，且延伸率能提高22%，说明电磁场对合金沉积态试样强塑性有很大提高；当磁场强度为50mT时，断口具有疲劳条纹，而未施加电磁场试样的疲劳断口未有明显的疲劳条纹和二次裂纹的存在，如图4所示；并且电磁搅拌对LMD成形GH4169合金热处理态疲劳性能有所提高。

图4不同强度电磁搅拌激光立体成形GH4169合金沉积态室温高周疲劳断口形貌[20]

（a）0mT，裂纹源区（b）0mT，裂纹扩展区

（c）50mT，裂纹源区（d）50mT，裂纹扩展区

戚永爱[21]将LMD技术与超声冲击强化技术相结合，通过超声冲击来强化LMD成形镍基高温合金的沉积层，对沉积层产生的主要影响有：消除搭接沟痕、增大表面粗糙度、增大接触角等，从而改善沉积层的成形质量。并且经过超声冲击后，激光沉积表层的枝晶和等轴晶进一步细化，等轴晶尺寸由10.42-23.41μm细化到4.17-9.32μm。激光沉积层的表面显微硬度最大值达650HV，沉积层平均显微硬度提高1.2倍。激光沉积层沿着扫描方向残余应力显著减小，残余应力消除达到93.64%；沉积方向的残余应力由于超声冲击的作用由拉应力变为压应力，应力消除率达100.67%。

3.激光熔化沉积技术在高温合金中的应用

LMD有很高的通用性，可以应用到制造新型组件，修复和重构磨损和损坏的零件。现有的LMD加工设备能够提供更大的加工尺寸，因此尺度上的优势也使得航空航天中的一些大型结构件能够通过这一技术制造出来。从这个角度来看，这一技术比较适用的是大型的相对复杂的金属构件。图5为西北工业大学[22]制造的轴承后机匣，该零件下部为In961合金铸件，上部为GH4169镍基高温合金激光立体成形件，是以铸件为基材，异种材质增材制造的首个应用案例。

图5LMD技术加工的高温合金部件[22]

除了用于高温合金大型结构件的制造，LMD技术还可作为激光熔覆用于高温合金零部件的修复再制造。由于航空发动机等航空航天设备的构件越来越趋于复杂，并且高温合金的加工成本高，而激光熔覆因为热影响区小，产品性能稳定，加工精度高，所以修复镍基高温合金零部件优先选用激光熔覆[23-25]。

李晓莉[26]等通过采用自配合金粉末，在K403基体上进行了激光同步送粉熔覆，改善了熔覆层裂纹倾向；李秋歌[27]等通过修复航空发动机涡轮叶片实现了K465高温合金单道多层结构的无裂纹激光增材修复；齐宝路[28]等在DZ125L定向基材上实现了定向生长修复，定向生长满足使用要求；佟永军[29]等通过采用恰当的激光设备、粉末和工艺参数等完成高温合金叶片的修复。图6为通过LMD技术修复的叶片[12]。对于修复的零件而言，在基体和修复区之间有一个起到连接两者的过渡区—结合区，它是修复零件的关键区域，直接影响着修复的效果。

图6应用LMD技术进行的叶片修复[12]

4.发展与展望

综上所述，目前关于LMD技术在镍基高温合金中的研究主要集中于成形工艺参数、热处理制度及复合加工等方面。通过工艺优化和合理的热处理可以使高温合金的力学性能达到使用要求，但目前LMD成形件的热处理没有像锻件一样的标准制度。

先进国家的航空航天领域所使用的高温合金用量大约占其总量的85%[20]，通过LMD技术来生产制造小批量的复杂大型的高温合金构件，可以极大的缩短工期和降低成本；而通过LMD技术对高温合金零部件进行修复可以提高材料利用率，延长其使用寿命，具有巨大的经济效益。因此LMD技术在镍基高温合金中的进一步研究探索是十分必要的。目前，欧美等发达国家在原材料粉体制备、软硬件设备及工艺参数等领域占有绝对领先优势，我国尚处于发展阶段，还有相当大的进步空间来形成完整的产业链条。

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基金项目：所属课题名称：飞机钛合金尾段制造关键成套装备研制及示范应用。