3D打印网-中国3D打印门户移动版

主页 > 新闻频道 > 深度解读 >

南昌航空大学:激光定向能量沉积HX高温合金的组织演变规律和开裂机理研究

      Hastelloy X (HX)是一种固溶强化型镍基高温合金,其具有优异的抗氧化性和高温强度,被广泛用于制造高温零件,例如燃气轮机的燃烧室部件。为了满足燃气轮机零部件轻量化、集成化结构的更高要求,激光增材制造技术逐渐被广泛使用。其具有代表性的技术有两种,分别是基于粉床熔融的选区激光熔化(SLM)/粉末床激光熔融(LPBF)和基于送粉沉积的激光定向能量沉积(LDED)/激光立体成形(LSF)。与LPBF技术相比,LDED具有沉积效率高、成形致密性好等特点,可用于修复金属构件。然而,由于镍基高温合金合金化程度高,相组成较为复杂,合金的凝固温度区间较大,导致激光定向能量沉积Hastelloy X高温合金的热裂敏感性要高,影响其服役安全,因此有必要对其开裂机理进行研究。

      南昌航空大学刘丰刚博士研究了激光定向能量沉积(LDED) Hastelloy X合金延沉积方向的微观组织演变和开裂行为。研究团队首先研究了LDED Hastelloy X合金中的裂纹类型,分析了裂纹的形成机理与拓展行为,并解释了热影响区两种热裂纹之间的关系。相关研究成果以“Microstructural evolution and cracking behavior of Hastelloy X superalloy fabricated by laser directed energy deposition”为题发表在《Journal of Alloys and Compounds》上,论文第一作者为张文军硕士研究生,通信作者为刘丰刚博士和刘奋成教授。

article_LDED论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.164179

block 图文简析

article_LDED_1图1. LDED HX沿沉积方向不同部位的显微组织形貌:(a1)、(b1)、(c1)底部、中部和顶部的OM图像;(a2)、(b2)、(c2) 底部、中部和顶部的BSE图像

样品底部到顶部,冷却速率从2.0×103K/s降低到3.5×102K/s,这导致晶粒尺寸粗化(图1)。在试样底部,一次枝晶臂较小,晶粒尺寸也相对较小,晶界不平直,呈现锯齿状。随着沉积高度的增加,试样中部一次枝晶臂间距变得更大,晶粒尺寸明显增大,柱状晶的晶界变的平直,且晶粒生长方向几乎垂直于扫描方向。此外,在枝晶间和晶界处可以观察到明显的微观偏析,枝晶间析出Laves、M6C和σ,在晶界处析出M23C6(图2)。

article_LDED_2图2. LDED HX沿沉积方向不同部位的SEM图像:(a1)、(a2)底部;(b1)、(b2)中间;(c1)、(c2)顶部

article_LDED_3图3. (a)液化裂纹形貌和(b)凝固裂纹;(c)裂纹萌生放大图像;(d) 裂纹萌生的EDS线扫描结果

晶界液膜的形成主要与晶界处γ-M23C6共晶的液化有关。而γ-M23C6共晶的生成主要是由于Cr、Mo、C元素在晶界的偏析造成的。晶界处存在稳定的液膜是液化裂纹的先决条件之一。液膜的稳定性取决于枝晶间过冷度ΔTb,其与取向差角θ有关(图3和图4)。大角度晶界润湿性更好,有利于液相的铺展形成连续的液膜,并且液膜在大角度晶界处更容易保持稳定。这使得液化裂纹更容易在大角度晶界处形成并扩展。

article_LDED_4图4. 裂纹区域晶粒取向扩展分布图

article_LDED_5图5. 热裂纹机理示意图:(a-c)在HAZ中形成液化裂纹;(d-e)在HAGB中进一步扩展并成为凝固裂纹

晶界液膜处的应力集中沿沉积方向逐渐增大,为液化裂纹的萌生提供了驱动力。在凝固过程中晶界处析出的碳化物颗粒促进了钉扎作用,阻碍晶界液膜流动,影响后续的液相补缩,导致液化裂纹进一步扩展为凝固裂纹。

该研究结果为激光增材制造Hastelloy X合金裂纹的调控提供了一定的解决思路。

论文引用信息:

Wenjun Zhang, Fenggang Liu, Fencheng Liu, Chunping Huang, Haizhong Zheng, Qiang Zhang, Yongsheng Zheng, Jiaying Gao,Microstructural evolution and cracking behavior of Hastelloy X superalloy fabricated by laser directed energy deposition,Journal of Alloys and Compounds,Volume 905,2022,164179,ISSN 0925-8388,

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.164179.

writer_LFG

(责任编辑:admin)