探究热处理对激光选区熔化GH4169合金微观组织及650 ℃力学性能的影响

GH4169是一种Ni-Fe-Cr基析出时效强化型高温合金，其在650 ℃的高温下具有较高的强度、良好的抗蠕变性能和疲劳寿命，通常用于航空发动机高温关键部件的生产与制备。随着航空发动机的快速发展，对部件的精密程度要求越来越高。以激光选区熔化（selective laser melting，SLM）为代表的激光增材制造技术，由于其具有生产周期短、材料利用率高、成形精度高等优点，为高几何复杂度GH4169合金零部件的制造提供了一条重要途径。

但是，由于SLM增材制造成形过程中材料经历快速熔凝过程，沉积态样品存在残余应力、元素偏析和显微缺陷等问题。适当的热处理可以改变材料的微观组织和相的析出，有效地消除上述缺陷，提升材料的力学性能。本工作选取1150 ℃均质化+980 ℃固溶+双重时效热处理制度(HSA)，对沉积态和HSA态GH4169合金开展650 ℃原位拉伸实验。对比研究热处理前后GH4169合金650 ℃原位拉伸过程中力学性能与微观组织结构演变行为。研究结果将为该合金成形工艺和热处理方案的优化提供重要依据。

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2014-2024

▲论文链接：

https://jam.biam.ac.cn/CN/10.11868/j.issn.1005-5053.2023.000066

主要研究结果

图1为热处理前后GH4169合金组织结构特征。可以看出沉积态GH4169合金侧面呈典型的鱼鳞状的熔池结构，相邻的熔池搭接良好，致密度好，无明显的气孔、裂纹等缺陷。顶面组织为规则排列的熔池边界，道次之间夹角为67°。熔池内部晶粒主要以柱状晶的形态沿沉积方向外延生长，柱状晶内部为枝晶和胞状晶亚结构。枝晶边界析出大量Laves相和少量碳化物。HSA热处理后，晶粒长大且变为等轴晶。碳化物依旧存在，Laves相溶解，析出大量γ′和γ′′强化相。

图1 SLM成形GH4169合金 （a）沉积态侧面OM图；（b）沉积态顶面OM图；（c）沉积态侧面SEM图；（d），（e）图（c）中局部放大；（f）HSA态侧面SEM图。

图2给出了沉积态和HAS态GH4169合金650 ℃原位拉伸应力位移曲线。结果表明，沉积态和HSA态样品的屈服强度分别为574 MPa和818 MPa；抗拉强度分别为740 MPa和892 MPa。HSA态样品的屈服强度与抗拉强度均优于沉积态样品，分别增加了42.5%和20.1%。但从图中可以看出HSA态试样的伸长率明显下降，塑性变差。

图2 热处理前后SLM成形GH4169合金650 ℃应力-位移曲线。

对原位力学性能测试结果进行了讨论。认为热处理后合金内γ′与γ′′强化相的析出、晶粒的有效尺寸和再结晶导致的晶粒取向变化共同导致了GH4169合金650 ℃拉伸性能的差异。图3为热处理前后GH4169合金的Schmid因子及其分布图，可以看出HAS态硬取向晶粒(大于0.5)占比更多，导致其更高的屈服强度。

图3 SLM成形GH4169合金650 ℃原位拉伸（a），（c）沉积态Schmid因子图和分布图；（b），（d） HSA态Schmid因子图和分布图。

图4为沉积态和HAS态合金原位拉伸宏观形貌演变图。可以观测到沉积态样品表面起伏更加明显，变形区域更大，说明样品的塑性流动能力更好。HSA态样品表面变形区域更加集中，塑性变形后期未发生明显的紧缩现象，样品快速断裂。

图4 SLM成形GH4169合金650 ℃拉伸宏观形貌原位SEM演变（a）～（d）沉积态；（e）～（h）HSA态。

沉积态和HAS态合金原位拉伸微观形貌演变如图5所示。从图中可以观察到位移为600 μm时，见图5(b)，部分晶粒内滑移系被激活，出现单一滑移迹线（白色虚线部分）。同时样品表面出现起伏，这是晶粒受力拉长及晶粒转动现象引起。随着进一步拉伸至1000 μm，在晶内和晶界均观察到裂纹萌生，并沿最大切应力的方向扩展。对于HAS态试样，位移为360 μm时，样品表面发生多滑移现象。继续拉伸190 μm，发现少量萌生于碳化物周围的裂纹，尺寸明显小于沉积态裂纹，并沿晶界扩展。

图5 SLM成形GH4169合金650 ℃拉伸微观形貌原位SEM演变（a）～（d）沉积态；（e）～（h）HSA态。

图6为沉积态和HSA态试样原位拉伸后的断口SEM形貌。从图中可以看到，沉积态试样断面韧窝分布更加均匀，断面上发现一些工艺中形成的微米级孔洞，在减少应力区域的同时也会成为裂纹的发起点。HSA态试样的韧窝尺寸相较于沉积态更大且更深，这表明样品在拉伸过程中承受更高的载荷。断面纤维区整体较为平整，表现出明显的微孔聚集型韧性断裂的特征。

图6 SLM成形GH4169合金650 ℃拉伸断口形貌 （ a）～（ c）沉积态； （d）～（f） HSA态。

结论

（1）SLM成形GH4169合金沉积态熔池内部存在枝晶和胞状晶亚结构，晶间分布着大量的Laves相。热处理后HSA态晶粒发生再结晶，晶粒长大且变为等轴晶。碳化物依旧存在，Laves相溶解，析出大量γ′和γ′′强化相。

（2）在650 ℃下，HSA态试样的屈服强度、抗拉强度较沉积态分别提高了42.5%和20.1%，但塑性降低明显。γ′和γ′′相的析出、有效晶粒尺寸和晶粒取向共同作用，影响了材料的拉伸性能。

（3）在650 ℃拉伸测试中，均观测到样品塑性变形过程中晶粒协调变形现象。沉积态样品表面起伏更加明显，Laves相和孔状缺陷易成为裂纹的发起点。HSA态裂纹在碳化物周围萌生沿晶界扩展，断面表现出微孔聚集型韧性断裂的特征。

论文引用信息：

原位拉伸研究热处理对激光选区熔化GH4169合金组织及650 ℃力学性能的影响. 朱嘉冕, 吕国森, 姜文祥, 程晓鹏, 贾泽一, 吕俊霞, 黄帅, 张学军

2024, 44(1): 93-103.

DOI:10.11868/j.issn.1005-5053.2023.000066

通讯作者简介

吕俊霞，北京工业大学副研究员，主要从事激光增材制造钛合金、镍基高温合金组织调控与性能表征；主持国家和北京市自然科学基金、GF科技173计划等多个课题，在International Journal of Plasticity、Materials & Design、Materials Science & Engineering A等国内外期刊发表论文50余篇。

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