● 摘要
激光熔化沉积成形技术,利用快速原型制造技术在无需任何模具和工装条件下快速成形任意形状零件的基本原理,在金属零件CAD模型离散切片数据计算机数控系统驱动下,以快速凝固激光熔覆材料制备技术为手段,通过金属材料的激光熔化-快速凝固逐层沉积,直接制备并成形出具有快速凝固组织特征的高性能“近净形”金属零件。利用激光熔化沉积的优点,通过控制激光熔化沉积工艺条件可实现金属材料晶体的外延生长定向快速凝固,为制备组织细小致密、成分均匀、高初熔温度、宽热处理窗口的定向生长快速凝固微细柱晶高温合金提供了可能。本文采用激光熔化沉积定向快速凝固技术,以粉末冶金涡轮盘用Rene95高温合金和涡轮叶片用SRR95单晶高温合金等镍基高温合金为研究对象,选用热轧多晶普通钢板、激光熔化沉积定向凝固SRR95单晶高温合金棒状试样和普通铸造涡轮叶片用DZ22定向凝固柱晶高温合金为基材,制备出具有定向生长微细柱晶组织的单道沉积薄壁板状试样、棒状试样和多道搭接块状试样,研究了凝固条件、凝固冷却速度、基材晶粒形态对激光熔化沉积镍基高温合金组织及性能的影响。首先采用激光熔化沉积定向快速凝固技术,通过改变工艺条件和比散热面积,实现了较宽的凝固冷却速度范围(100~103K/s)的粉末冶金涡轮盘用Rene95高温合金的定向快速凝固,研究了镍基高温合金凝固组织随凝固冷却速度的变化;通过激光表面熔化快速凝固技术在激光熔化沉积SRR95合金定向快速凝固棒状试样横截面上获得了达105K/s量级凝固冷却速度的定向快速凝固微细柱晶组织;采用多道搭接激光熔化沉积定向凝固工艺,分别以热轧多晶普通钢板和普通铸造涡轮叶片用DZ22定向凝固柱晶高温合金为基材,制备出块状高温合金试样。结果表明: 1.激光熔化沉积定向快速凝固Rene95高温合金单道沉积薄壁板状试样,由于其凝固冷却速度高,具有微细的定向生长枝晶组织,其枝晶间距很小(一次枝晶间距约为7μm,二次枝晶间距约为3μm),枝晶间完全无 共晶及疏松,碳化物细小弥散; 2.发现激光熔化沉积定向柱晶高温合金在高凝固冷却速度下的枝晶生长弯曲现象并对其形成机理进行了探讨,发现已凝固合金冷却收缩对枝晶产生的牵引力可能是引起枝晶生长过程中变形弯曲的主要原因;3.激光熔化沉积定向快速凝固Rene95高温合金单道沉积薄壁板状试样的室温拉伸力学性能优异,屈服强度平均达到1140MPa,接近粉末冶金C级标准,抗拉强度达1460~1520MPa,超过了粉末冶金C级标准,介于C级与A级标准之间,而延伸率超过粉末冶金A级标准;4. 多道搭接激光熔化沉积定向快速凝固高温合金块状试样具有平行于沉积增高方向的微细定向柱晶组织。①多晶基材多道搭接激光熔化沉积定向快速凝固SRR95合金块状试样微细柱晶由两种晶体生长取向不同的定向柱晶交替组成,即由取向柱晶和与交替换向外延生长“之字形”编织状柱晶组成;②发现和交替换向外延生长“之字形”编织状柱晶在交替换向过渡区易产生取向无序柱晶和疏松现象,由于搭接处是二次枝晶发展为一次枝晶的位置,细小的二次枝晶臂受到熔体对流的机械作用力而弯倒或断裂脱落成为取向无序柱晶晶粒的核心从而形成取向无序柱晶,二次枝晶发展为一次枝晶后与原来的一次枝晶相遇形成一个相对封闭的空间,这个相对封闭的空间里的合金液凝固收缩得不到充分的补缩从而形成疏松。③通过采用合适的搭接率(1/2)和重熔率(2/3)得到了单晶基材多道搭接激光熔化沉积Rene95合金块状试样,试样的主体部分实现了枝晶的单一取向,得到了外延生长的单晶组织。