激光增材修复K418高温合金组织及性能研究

作     者：范祝男 

作者单位：南昌航空大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄春平

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：激光增材修复 K418高温合金 裂纹调控 微观组织 力学性能 

摘      要：K418镍基铸造高温合金在航空航天发动机、燃气轮机各级各类叶片的制造过程中应用频繁。但是这些零部件在生产制造过程当中难免发生破损,导致逐渐开裂,致使零部件失效。激光增材修复技术能够对K418合金零部件在生产和使用过程中出现的磨损、裂纹和凹坑等损伤部位进行快速高效的修复,延长其使用期限,节约材料以及制造成本,降低经济损失,但是,K418高温合金作为一种高Al、Ti含量的铸造镍基高温合金,在激光增材修复过程中,容易发生开裂。本文针对激光增材修复K418高温合金在修复过程中的开裂问题,研究了工艺参数对修复试样开裂倾向的影响,并对其开裂机理以及裂纹萌生扩展规律进行分析。此外,还探究了修复区不同沉积高度处和热影响区不同位置处的微观组织及显微硬度的变化规律。在此基础上,进一步探究了稀土元素添加工艺以及预热工艺对其开裂行为和力学性能的影响规律,得出主要结论如下:激光增材修复K418高温合金的最佳工艺参数为:激光功率1000W、激光扫描速度600mm/min、送粉速率9.45g/min、激光光斑直径3mm、激光搭接率40%、扫描路径交叉光栅式以及抬升量0.35mm;在采用最佳工艺参数进行工艺试验时,仍然无法消除裂纹,激光增材修复K418合金块体试样中的裂纹主要分为两类,一类是萌生于热影响区的液化裂纹,另一类是在试样表面形成凝固裂纹,此外,裂纹在传播过程中更容易选择沿大角度晶界传播;裂纹的生成主要是由于晶界上γ-γ’相和γ’相发生液化后形成的液膜在热应力的作用下发生开裂。在试样修复区底部出现典型的平面晶区,在平面晶区上方,出现细小的柱状晶分布,在修复区中部,发生了柱状晶到枝晶的转变,在修复试样顶部区域枝晶的外延生长被终止,出现等轴晶组织;K418基材和激光增材修复K418高温合金试样的修复区都是主要由基体相γ-Fe CrNiC、强化相γ’-NiAl组成,基材区的γ’相呈现立方状分布,γ’相的尺寸在400-600nm,热影响区部分γ’相发生固溶,并且有新析出的二次γ’相,在修复区当中,枝晶间γ’相的尺寸相比枝晶干更加粗大;热影响区的碳化物主要呈汉字状和颗粒状,尺寸形貌与K418基材类似,在修复区底部生成向四周辐射分叉的“花草状、“汉字状碳化物,在修复区中部形成部分长条状的碳化物,在修复区顶部碳化物呈现短棒状。添加稀土氧化物后,增加了修复试样的开裂倾向,但修复区枝晶明显细化,一次枝晶间距由11μm降至4μm,二次枝晶间距也明显降低由7.5μm降至2μm;400℃预热基材对修复试样的开裂倾向有着较好的抑制作用,同时,修复区枝晶发生明显的粗化,修复区底部枝晶间距由13μm增至20μm,修复区中部枝晶间距由11μm增至14μm,修复区顶部枝晶间距差别不大;预热基材后,修复区底部的硬度略微提高,修复区顶部的硬度差别较小,热影响区的残余应力大幅降低,平均残余应力为38MPa,修复试样的抗拉强度由1125MPa提升至1234MPa,延伸率由10.5%降至8.1%,修复试样的断裂方式为脆性断裂和韧性断裂的混合断裂方式,在较大韧窝的中心存在发生破碎的碳化物以及已经脱落的碳化物。