定向凝固鎳基高溫合金激光多層涂覆的研究

定向凝固鎳基高溫合金激光多層涂覆的研究

激光多層覆蓋定向硬化技術(shù)是近年來開發(fā)的一種向量硬化技術(shù)。利用該技術(shù)可以獲得內(nèi)部組織細(xì)小致密、具有定向凝固柱狀枝晶的涂覆層。結(jié)合激光金屬成形技術(shù)還可以得到定向凝固金屬零件,隨著該技術(shù)的進(jìn)一步成熟和發(fā)展,必將在工業(yè)領(lǐng)域中得到重要應(yīng)用。影響合金凝固顯微組織的因素主要有工藝條件和合金成分,對于給定的合金,重要的影響因素是工藝條件;而對于不同的合金系或同一合金系不同的成分,由于合金的成分控制了溶質(zhì)的排出量進(jìn)而能夠影響過冷區(qū)的形狀和大小從而對凝固界面前沿溶質(zhì)分布產(chǎn)生重要影響,凝固顯微組織必然也不相同。文獻(xiàn)研究了利用Rene95合金粉末在鎳基高溫合金定向凝固的(001)面上進(jìn)行激光多層涂覆實(shí)驗(yàn),凝固顯微組織形成規(guī)律。為便于進(jìn)行比較,本文選用與Rene95合金不同的鐵基316L不銹鋼粉末,及同是鎳基合金但成分不同的自熔合金Ni35粉末,在相同的工藝條件下進(jìn)行激光多層涂覆實(shí)驗(yàn),研究不同合金在相似工藝條件下的組織形成特點(diǎn),以初步總結(jié)材料對激光多層涂覆定向凝固顯微組織的影響。1實(shí)驗(yàn)材料及試材的制備實(shí)驗(yàn)在5kW連續(xù)CO2激光器上進(jìn)行,送粉系統(tǒng)包括了一個(gè)刮板式送粉器和有保護(hù)氣簾的側(cè)向噴嘴。保護(hù)氣為氬氣。實(shí)驗(yàn)所用工藝參照文獻(xiàn),參數(shù)范圍為:激光功率3～4kW,光斑直徑4mm,掃描速度5～10mm/s,送粉量7～12g/min,保護(hù)氣流量5～10ml/min。共涂覆10道,每道厚度大約0.5mm。選用的商用316L不銹鋼和鎳基自熔合金Ni35,粒度為-200目。為減少粉末吸潮對涂層內(nèi)部質(zhì)量的影響,實(shí)驗(yàn)前將粉末在150℃左右真空條件下烘干。選用圓柱狀鎳基高溫合金定向凝固試樣作為基材,尺寸為?30×10mm,經(jīng)XRD測試可知基材表面的晶體取向?yàn)?lt;001>。粉末與基材的成分示于表1。為保證基材表面對激光有較高的吸收率和清潔,實(shí)驗(yàn)前先用200號砂紙對基材表面進(jìn)行打磨,再用丙酮清洗。實(shí)驗(yàn)后利用線切割切取涂層的橫、縱截面,通過磨制、拋光及腐蝕制備金相試樣,在光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡上進(jìn)行顯微組織的觀察。2激光碳金屬界面及涂層內(nèi)部微組織的生長激光多層涂覆過程中,基材作為冷端,形成了自下而上的正溫度梯度,提供了獲得定向凝固顯微組織的外部條件。合金的分配系數(shù)小于1h,凝固過程中溶質(zhì)將在界面前沿富集,會出現(xiàn)成分過冷區(qū)。在過冷區(qū)內(nèi)有可能出現(xiàn)等軸晶的形核。等軸晶的體積分?jǐn)?shù)決定于液相中溫度梯度G、柱狀晶界面前沿的生長速度V及形核密度等,當(dāng)?shù)容S晶體積分?jǐn)?shù)達(dá)到一定值時(shí),將導(dǎo)致柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)化,從而破壞定向凝固過程。我們在對M.Gaumann等人關(guān)于等軸晶/柱狀晶生長轉(zhuǎn)換的數(shù)值模型(簡稱GTK模型)進(jìn)行多組元修正的基礎(chǔ)上對316L不銹鋼激光立體成形件頂部枝晶組織的形成原因進(jìn)行分析,將該合金簡化成Fe-17Cr-12Ni三元合金進(jìn)行處理,對激光熔池中固/液界面前沿合金柱狀晶/等軸晶轉(zhuǎn)化進(jìn)行計(jì)算。圖1即為我們計(jì)算所得的316L不銹鋼柱狀晶/等軸晶轉(zhuǎn)變曲線,與文獻(xiàn)相比,可以看出,本文激光多層涂覆實(shí)驗(yàn)參數(shù)所在的范圍對316L不銹鋼來說均落在柱狀晶生長范圍內(nèi),未發(fā)生柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變。而對Rene95合金來說則恰好落在柱狀晶/等軸晶轉(zhuǎn)化曲線上。這說明在相同的工藝條件下,Rene95合金比316L不銹鋼更易于生成等軸晶組織。圖2是在鎳基高溫合金定向凝固柱狀晶基材上進(jìn)行316L不銹鋼粉涂覆實(shí)驗(yàn)后,界面及其涂層內(nèi)部高倍凝固顯微組織。從圖2(a)可以看出,界面處出現(xiàn)了大約20μm厚、彎曲的無枝晶組織結(jié)構(gòu)區(qū),這一層是涂覆過程中基材重熔所致,由于基材與涂層兩種材料之間的成分差別較大,熔凝過程中,激光熔池內(nèi)的對流導(dǎo)致波浪形界面的出現(xiàn)。凝固過程中,熔池的底部凝固速度趨近于0,出現(xiàn)了平界面的生長形態(tài),而在涂層內(nèi)部則為細(xì)小的定向凝固柱狀枝晶。圖2(b)為涂層內(nèi)部凝固顯微組織,由于鐵基合金是面心立方結(jié)構(gòu),在正溫度梯度下,與熱流方向最為接近的<100>取向優(yōu)先生長,多層涂覆過程中下一層在上一層上連續(xù)外延生長,將在整個(gè)涂層中得到完全的細(xì)小定向凝固柱狀枝晶。枝晶一次間距大約為5μm,這種超細(xì)的定向凝固組織是由于激光熔池內(nèi)高的溫度梯度和大的冷卻速率決定的。圖3為不銹鋼涂層頂部轉(zhuǎn)向枝晶區(qū)縱截面的凝固顯微組織形態(tài),從中可以清楚地看到枝晶沿與掃描速度相近的方向(橫向生長)的情況。說明在涂層的頂部,仍然是柱狀生長占優(yōu)勢,而沒有出現(xiàn)形核。上述生長現(xiàn)象與計(jì)算結(jié)果相一致。圖4是316L不銹鋼激光立體成形件X射線衍射結(jié)果。從圖4可以看出其組織組成全部為γ相。J.W.Elmer等人的研究結(jié)果表明,對于Cr,Ni含量相近的不銹鋼來說(Cr/Ni<1.5),其凝固組織以γ相為主,而且隨著冷卻速度的提高,溶質(zhì)擴(kuò)散能力下將,其組織中γ相逐漸增加,當(dāng)冷卻速度很高時(shí),將得到全γ相組織,并且Cr/Ni比值越低,γ相的數(shù)量越多,得到全γ相所需的冷卻速度就越小。對于我們實(shí)驗(yàn)中所使用的316L不銹鋼來說,其Cr/Ni值約為1.22,而且成形過程的凝固速度和冷卻速度都很高,因而其組織為全γ相組織。而由于Rene95合金是一種γ′相沉淀強(qiáng)化鎳基高溫合金,在凝固過程中首先形成單相鎳基固溶體,并于凝固后期在晶粒交匯處形成少量γ/γ′共晶,而在凝固過程中逐漸從γ固溶體中沉淀析出細(xì)小γ′相。相比較而言后者更容易出現(xiàn)柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)化。圖5所示是利用Ni35合金在鎳基定向凝固基材上激光多層涂覆實(shí)驗(yàn)的掃描電鏡照片。由圖5(a)可以看出,由于涂層和基材都是鎳基合金,局部地區(qū)涂層從基材上外延生長,但二者成分相差較大,涂層與基材的分界線比較明顯,在距基材大約0.1mm左右的范圍內(nèi),出現(xiàn)了一層長短不一的定向凝固柱狀晶組織。圖5(b)為涂層中部凝固顯微組織照片,與圖5(a)明顯不同的是,圖中分布著大量趨向于等軸晶生長的枝晶組織,而且尺度大于涂層的底部。這是由于隨著熔覆層數(shù)的累積,溫度梯度逐漸減小,因而凝固組織的尺度呈現(xiàn)增加的趨勢。鎳基自熔合金的物性參數(shù)難以獲取,無法對其固液界面前沿的柱狀晶/等軸晶轉(zhuǎn)化進(jìn)行理論計(jì)算,從物相組成上對該合金的顯微組織形成進(jìn)行定性分析表明,與316不銹鋼中形成完全γ相不同的是,鎳基自熔合金中含有C,B,Si等低熔點(diǎn)共晶元素,容易出現(xiàn)多相生長。尤其是元素B,極易形成Ni3B,CrB相,圖6為試樣涂層X射線衍射譜。由圖可知,涂層中基體組織主要為γ-Ni(主相)和Ni3B相;參照Ni-Cr-B三元合金相圖,合金成分表象點(diǎn)大致落在γ-Ni和Ni3B相區(qū)內(nèi),正是因?yàn)镹i3B的存在,在枝晶中成為凝固的結(jié)晶核心,從而促使等軸晶的形成。文獻(xiàn)利用Rene95高溫合金在鎳基高溫合金定向凝固基材上進(jìn)行激光多層涂覆實(shí)驗(yàn)得到的從基材外延生長的連續(xù)定向凝固組織僅僅在涂層的頂部出現(xiàn)了取向發(fā)生改變的枝晶層。由上面的分析可推斷,與Rene95鎳基高溫合金成分相近的單晶高溫合金均可以看作激光多層涂覆定向凝固的優(yōu)選材料,其次具有單相固溶體的合金如二元合金(如Al-Mn,Cu-Mn等)、不銹鋼等材料也可以通過激光多層涂覆的方式獲得晶體取向良好的涂覆層而不出現(xiàn)形核現(xiàn)象。對于本身容易形成等軸晶的鎳基自熔合金,盡管實(shí)驗(yàn)在定向凝固的基材上進(jìn)行,也不容易得到定向凝固的涂覆層。3定向凝固金屬結(jié)構(gòu)(1)在本文的工藝條件下,材料對涂層內(nèi)的凝固顯微組織產(chǎn)生很大影響。選用316L不銹鋼和鎳基自熔合金作為涂覆材料,在316L不銹鋼涂層中得到了完全的定向凝固柱狀枝晶;當(dāng)材料為鎳基自熔合金Ni35時(shí),涂層中的組織趨向于全等軸晶形態(tài)。