激光立体成形Inconel718高温合金显微组织的研究

赵卫卫

摘 要：本文采用金相显微镜（OM）微观测试手段研究了激光立体成形Inconel718的组织特征，结果表明：激光立体成形Inconel718沉积态组织细密、均匀，呈现出沿沉积方向外延柱状生长，并贯穿多个沉积层的枝晶组织特征。

关键词：激光立体成形 Inconel718 沉积态 组织

中图分类号：TG665；0532+.25 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）02（a）-0015-01

激光立体成形（Laser Solid Forming，LSF）技术是从20世纪80年代初期发展起来的一项先进制造技术，能够实现高性能复杂结构金属零件的无模具、快速、全致密近净成形，近年来，随着该研究的不断深入和发展，激光立体成形技术得到了国内外的高度重视，在航空、航天、船舶、汽车、能源、机械、医学、动力领域复杂整体构件的高性能直接成形和快速修复等领域都有着广阔的应用前景[1]。

Inconel718（国内牌号GH4169）高温合金在-253℃～700℃温度范围内具有良好的综合性能，650℃以下具有屈服强度高、塑性好的特点，在航空航天领域应用广泛[2]。采用精密铸造、精密塑性成形等传统方法成形Inconel718高温合金，存在加工周期较长、柔性化较差等不足，同时，锻造Inconel18合金不易成形复杂零件，而铸件一般力学性能低，特别是当铸锭尺寸较大时，容易产生严重的偏析[2～4]。激光立体成形技术作为一种材料凝固成形新技术，低成本、短周期、高柔性、快响应等诸多优点使其成为一种具有竞争力的Inconel718成形方法。本实验研究了激光立体成形Inconel718的沉积态组织特征，将为推进激光立体成形Inconel

718的工程化应用提供实验依据。

1 实验材料和方法

本实验在西北工业大学凝固技术国家重点实验室的激光立体成形系统上完成，该系统由德国Rofin公司的RS850型5 kW连续CO2激光器、DPSF-1型高精度可调自动送粉器、LPM-408四轴三联动数控工作台、侧向送粉喷嘴、三维CAD建模及分层软件、FAGOR数控软件等组成。实验中基材为45#钢，实验所用粉末为等离子旋转电极法（Plasma Rotation Electrode Powder， PREP）制备的Inconel718球形粉，尺寸约为-100目～+150目，其化学成分见表1。激光立体成形工艺参数为：激光功率2～ 2.3kW，光束扫描速度360～480 mm/min，送粉率5～8 g/min，光斑直径3 mm，Z轴增量0.3～0.5 mm。成形试样沿垂直光束扫描方向用电火花线切割切开，对获得的试样进行打磨、抛光后，采用盐酸过氧化氢水混合液（H2O∶H2O2∶HCl=1∶1∶2）腐蚀剂腐蚀试样。

2 分析与讨论

激光立体成形时，材料受到的是运动式点热源瞬间高能加热及快速冷却的作用，因此，成形件的组织特征必然不同于常规的铸造组织。同时，Inconel718又属于多元合金化的高温合金，在激光立体成形中很可能存在复杂的组织及相变过程，因此本文首先对Inconel718沉积态的组织进行了初步研究。

在基材为45#钢上激光立体成形Inconel718高温合金块状试样研究发现，试样表面平整，表面无肉眼可见裂纹，如图1所示。图2给出了Inconel718高温合金激光立体成形件在垂直光束扫描方向上的横截面光学显微组织。图2（a）显示了平行于扫描方向的层带结构，沉积层间出现一条一条的弧线，两弧线的间距即为单层沉积层层高，是典型的层带现象。正是因为层带形态的存在，才使得各层沉积层清晰可辨[5]。从图2（b）中可以看出，激光立体成形Inconel718沉积态组织由沿沉积方向的外延生长柱状枝晶构成，其基本的显微组织是定向凝固柱状晶结构，同时还可以看到，这些柱状晶组织可以从前一层沉积层延续到下一层，垂直于扫描方向趋向沿沉积方向进行多层连续生长，贯穿多个沉积层，在不同沉积层之间呈现出典型连续柱状晶结构。从沉积态金相照片也显示出激光立体成形Inconel718组织致密、没有疏松。层带形态是Inconel718激光立体成形的典型特征之一，其形成原因在于激光立体成形的层状堆积成形，层带结构是在激光立体成形熔池的凝固过程中形成的，是由于层带状结构内部和外部组织差异的原因造成的[5]。

3 结论

激光立体成形Inconel718高温合金沉积态组织呈现出沿沉积方向外延柱状生长，并贯穿多个沉积层的枝晶组织特征，沉积层存在明显的层带现象。由于激光快速熔凝所具有的高梯度、高速度的凝固特征，所得组织细密、均匀。

（致谢：本文受江汉大学机电与建筑工程学院院级科研项目（No.机建SY013[2013]）的资助，以及林鑫教授的指导与帮助，在此表示感谢。）

参考文献

[1] 黄卫东.激光立体成形[M].西安：西北工业大学出版社，2007.

[2] 黄乾尧，李汉堂.高温合金[M].北京：冶金工业出版社，2000.

[3] 白秉哲，杨鲁义，赵耀峰.GH4169合金“等温锻造+直接时效”工艺探讨[J].稀有金属，2002，26（1）：7-32.

[4] 李爱兰，汤鑫，盖其东，等.热处理工艺对K4169合金微观组织的影响[J].航空材料学报，2006，26（3）.

[5] 昝林.激光快速成形TC21钛合金的组织和力学性能研究[D].西北工业大学，2007.