GH4099簡介：

GH4099(GH99)是一種高合金化的鎳基時效板材合金，用鈷、鎢、和鋁、鈦等元素綜合強化，使合金具有較高的熱強行，900℃一下可以長期使用，工作溫度可達1000℃。

1?引 言

GH4099是一種以γ'相為主要強化相的沉淀強化型鎳基高溫合金。該合金中含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19%的Cr元素，因此具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。此外，合金中Co、Mo、W元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和達到16%,這些元素除了有明顯的固溶強化作用外，還可在很大程度上提高合金的高溫使用性能，使GH4099合金的最高使用溫度可高達1000℃左右。此外，該合金中Al、Ti元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和超過3%,這使得該合金經(jīng)時效處理后，γ相Ni3(Al,Ti)在基體中均勻彌散地析出，顯著提高了合金的力學(xué)性能，因此該合金已廣泛應(yīng)用于航空航天發(fā)動機、燃?xì)廨啓C的熱端部件(發(fā)動機的燃燒室及葉片等零部件[1])以及高性能車用動力總成的關(guān)鍵零部件[2]。

2?實驗材料與方法

GH4099沉積態(tài)試樣在激光增材制造系統(tǒng)上完成，該成形系統(tǒng)由最大輸出功率為6kW的半導(dǎo)體激光器、五軸數(shù)控機床、送粉器、同步送粉噴嘴、氬氣保護箱和水冷機組組成。實驗所需的GH4099合金球形粉末采用旋轉(zhuǎn)電極法制備，其化學(xué)成分如表1所示，粉末粒徑為60～120 μm,粉末形貌如圖1所示。為了去除合金粉末中的水分，實驗前將合金粉末置于真空烘干箱中于120 ℃下干燥處理2 h。實驗所用基材為316L不銹鋼，基材尺寸為140 mm×60 mm×6 mm,實驗前將基材用砂紙打磨后再用丙酮清洗。通過前期工藝參數(shù)探究，選取最佳的工藝參數(shù)進行激光沉積實驗，具體參數(shù)如下：激光功率為2 kW,掃描速率為10 mm/s,光斑直徑為5 mm,Z軸抬升量為0.5 mm,搭接率為50%,送粉量為7.5 g/min,激光掃描方式為單層內(nèi)往復(fù)掃描，層與層之間的掃描方向偏轉(zhuǎn)90°。沉積態(tài)試樣的尺寸為80 mm×30 mm×30 mm,沿激光掃描方向加工出標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，拉伸試樣的尺寸如圖2所示。沉積態(tài)試樣的熱處理制度選用鍛件標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示。

金相試樣沿沉積方向截取，試樣經(jīng)打磨、拋光后進行腐蝕，并觀察其顯微組織，腐蝕液由2mL HF、20 mL HNO?、100 mL HCl、76 mL H?O組成。采用OLYMPUS-DP71型光學(xué)顯微鏡(OM)觀察試樣的晶粒形貌，采用S3400型掃描電子顯微鏡(SEM)分析微觀組織，采用SEM配備的能譜儀(EDS)對合金中的成分與相組成進行分析。采用Instron 3382型電子萬能材料試驗機測試試樣的室溫拉伸性能，拉伸速率為1 mm/min。

3?實驗結(jié)果及分析

3.1?激光增材制造GH4099合金的顯微組織

激光增材制造GH4099合金的顯微組織如圖3所示。從圖3(a)中可以看出，沉積態(tài)試樣的顯微組織主要由外延生長的柱狀晶組成，柱狀晶內(nèi)部的枝晶非常細(xì)小，二次臂不發(fā)達。從圖3(b)中可以看出，層與層之間有明顯的白亮色的層帶組織，且與成形過程中的熔池底部位置相對應(yīng)。從圖3(c)中可以看出，層帶處的組織相比其他位置更細(xì)小，且枝晶形貌不明顯，多為胞狀晶或平面晶。圖3(d)所示為沉積態(tài)試樣中析出相的形貌，選取圖3(d)中的A、B點，對其成分和相組成進行能譜分析，測試結(jié)果如表3所示。從表3中可以看出，在枝晶間白亮色的相中，Al、Ti元素的含量比基體中的多，即Al、Ti元素在枝晶間發(fā)生了明顯的偏析，從而可以確定白亮色的相為γγ'共晶相。外延生長的柱狀晶組織是激光

增材制造金屬材料中普遍存在的典型組織[8],激光成形過程具有較高的溫度梯度和凝固速率，且基材的溫度比沉積層中的溫度低幾個數(shù)量級，從而導(dǎo)致熱量由沉積層向基材傳遞，凝固從熔池底部向頂部進行，凝固條件處于柱狀晶生長的條件范圍內(nèi)，從而導(dǎo)致沉積態(tài)組織主要由外延生長的柱狀晶組成。在激光成形過程中，相比于熔池中部和頂部，熔池底部與已沉積部位接觸，因此熔池底部具有更高的溫度梯度和冷卻速率，導(dǎo)致枝晶形貌不發(fā)達，顯微組織多由胞晶組成，且組織相對細(xì)小，在光學(xué)顯微鏡下熔池底部呈現(xiàn)出白亮色的層帶組織特征，這種現(xiàn)象也常出現(xiàn)在激光增材制造316L不銹鋼和其他高溫合金中[8-9]。GH4099合金是沉淀強化型鎳基高溫合金，含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過3%的Al、Ti元素，這兩種元素是形成γ相的主要元素，而且它們的平衡分配系數(shù)小于1,因此在凝固過程中主要向枝晶間偏析，在凝固過程的最后階段在枝晶間形成尺寸較大的初生γ相，枝晶間初生γ'相的存在不僅會大量消耗沉淀強化元素，而且會與基體γ相形成低熔點共晶，擴大凝固溫度區(qū)間，導(dǎo)致成形過程中易于形成凝固裂紋[10]。由于大尺寸初生γ相的存在會劣化合金的力學(xué)性能，因此激光增材制造GH4099合金需要通過熱處理來減少或消除凝固過程中形成的γ共晶相，從而優(yōu)化合金組織和提高合金的力學(xué)性能。

3.2熱處理對激光增材制造GH4099合金顯微組織的影響

激光增材制造GH4099合金沉積態(tài)試樣經(jīng)熱處理后，其顯微組織發(fā)生了明顯變化。從圖4(a)中可以看出，經(jīng)過1120 ℃×2h的固溶處理后，晶粒的形貌由外延生長的柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，晶粒內(nèi)部的枝晶形貌以及層帶組織消失，而且在晶粒內(nèi)部出現(xiàn)了大量的孿晶界。經(jīng)固溶處理后，枝晶間的初生γ相發(fā)生了明顯的回溶反應(yīng)，γ相的尺寸從10μm減小到200 nm左右，如圖4(c)所示。固溶時效態(tài)試樣的宏觀組織與固溶態(tài)試樣的組織差別較小，也主要由等軸晶組成，晶粒內(nèi)部分布著孿晶界，晶粒沒有長大，如圖4(b)所示。但是經(jīng)過800 ℃×8h的時效處理后，晶粒內(nèi)部析出了大量的次生γ'相，次生γ'相的尺寸在200 nm左右，析出相為塊狀，如圖4(d)所示。在激光增材制造GH4099合金過程中，在局部快速加熱與冷卻以及后續(xù)熱循環(huán)的作用下，沉積層中會出現(xiàn)較大的殘余應(yīng)力[11-14]。GH4099合金為面心立方晶格結(jié)構(gòu)(FCC),具有較低的層錯能(SFE),所以該合金中的殘余應(yīng)力在高溫固溶處理過程中會誘發(fā)靜態(tài)再結(jié)晶，晶粒的形貌由外延生長的粗大的柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為細(xì)小的等軸晶。孿晶的形成也發(fā)生在高溫固溶過程中，是典型的退火孿晶。在凝固過程中，Al、Ti等元素偏析到枝晶間，形成尺寸較大的初生γ相，導(dǎo)致沉積態(tài)組織中存在微觀偏析，形成枝晶亞結(jié)構(gòu)。高溫固溶過程是一個均質(zhì)化的過程，可以顯著消除組織中的偏析，使初生γ'相發(fā)生回溶，尺寸有所減小，而且Al、Ti等元素在經(jīng)過固溶處理后充分固溶在γ基體中，存在于沉積態(tài)中的枝晶亞結(jié)構(gòu)也會消失。固溶后的時效處理溫度為800 ℃,相對較低的溫度不足以使再結(jié)晶晶粒長大，所以固溶-時效態(tài)的組織與固溶態(tài)的相差不大，但長時間的時效處理會使固溶在基體中的Al、Ti元素以次生γ相的形式析出。研究表明，在時效的初始階段，γ相的形貌為球狀，但隨著時效時間延長，γ相會粗化，在γ-γ間彈性應(yīng)變能的作用下，γ相的形貌由球狀變?yōu)榱⒎?/p>

3.3熱處理對激光增材制造GH4099合金力學(xué)性能的影響

沉積態(tài)、固溶態(tài)與固溶-時效態(tài)試樣的室溫力學(xué)性能如圖5所示。從圖5中可以看出，沉積態(tài)試樣經(jīng)過固溶處理后屈服強度顯著降低。主要原因是合金經(jīng)過固溶處理后，盡管晶粒尺寸有所減小，但是晶粒內(nèi)部的枝晶亞結(jié)構(gòu)消失。根據(jù)Hall-Petch關(guān)系，合金的屈服強度會隨著晶粒尺寸的減小而增大，但激光增材制造GH4099合金過程中會在晶粒內(nèi)部形成大量位錯，固溶處理后發(fā)生了靜態(tài)再結(jié)晶，導(dǎo)致位錯密度明顯降低，位錯的強化效果會降低，所以固溶態(tài)試樣的屈服強度與沉積態(tài)試樣的屈服強度相比明顯降低，約為沉積態(tài)試樣的1/2。固溶處理態(tài)合金的塑性是3種狀態(tài)試樣中最高的，根據(jù)合金的組織可以看出，固溶處理后晶粒的尺寸明顯減小，而且在晶粒內(nèi)部形成了大量孿晶，這些對于改善合金的

塑性有很大作用。此外，在塑性變形過程中，沉積態(tài)試樣會在粗大的初生γ相周圍發(fā)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致試樣提前失效；而經(jīng)固溶處理后，沉積態(tài)中粗大的初生γ相發(fā)生了明顯的回溶，有效地降低了應(yīng)力集中，使合金的塑性顯著提升。固溶態(tài)試樣經(jīng)時效處理后，在基體中析出了大量細(xì)小的次生γ相。在GH4099合金中，γ'相沉淀強化貢獻的強度可占總強度的64%[16]。次生γ相的存在會阻礙位錯運動，使沉淀強化作用得以顯現(xiàn)，顯著提高了合金的屈服強度，使固溶-時效態(tài)合金在3種熱處理狀態(tài)試樣中的強度最高。同時，固溶-時效態(tài)合金的伸長率比沉積態(tài)試樣也有了顯著提高，這主要歸功于細(xì)小的等軸晶和晶粒內(nèi)部的孿晶界，孿晶的形成可以有效改變晶體的位向，使一些不利的滑移系轉(zhuǎn)到有利于發(fā)生滑移的位置，從而可以明顯地激發(fā)晶體滑移與變形，提高合金的塑性。

4?結(jié) 論

激光增材制造GH4099合金沉積態(tài)的組織主要由外延生長的柱狀晶組成，晶粒內(nèi)部由細(xì)小的柱狀枝晶亞結(jié)構(gòu)組成。由于發(fā)生溶質(zhì)偏析，枝晶間存在大量的y-γ'共晶相，層與層之間有明顯的層帶組織。高溫固溶處理后，發(fā)生了靜態(tài)再結(jié)晶，晶粒形態(tài)發(fā)生了明顯變化，粗大的外延生長的柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)檩^細(xì)小的等軸晶，且層帶組織和晶內(nèi)枝晶亞結(jié)構(gòu)消失；晶粒內(nèi)部存在大量的退火孿晶，初生γ'相發(fā)生了明顯的回溶；時效處理后，在γ基體上析出大量納米尺度的次生γ相。沉積態(tài)試樣經(jīng)過固溶處理后發(fā)生了靜態(tài)再結(jié)晶，晶粒內(nèi)部位錯密度明顯下降，而且形成了大量的退火孿晶，導(dǎo)致固溶態(tài)試樣具有最高的塑性和較低的屈服強度，固溶-時效態(tài)試樣基體上析出了大量納米尺度的次生γ相，其可在變形過程中有效阻礙位錯運動，使固溶時效態(tài)合金具有良好的綜合力學(xué)性能。