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【东莞材料基因高等理工研究院】DD98高温合金定向激光沉积的微观组织和力学性能
发表时间:2022-11-10 阅读次数:102次

引文格式:

 

GB/T 7714      

Ding R G, Zheng J P, Zhang Y Z, et al. Microstructure and mechanical properties of direct laser deposited DD98 superalloy[J]. Materials Science & Engineering: A, 2022,848: 143427.

MLA      

Ding, R. G., et al. “Microstructure and mechanical properties of direct laser deposited DD98 superalloy”. Materials Science & Engineering: A, 848(2022): 143427.

APA      

Ding, R. G., Zheng, J. P., Zhang, Y. Z., Wang, Y. C., Li, S. Z., Li, X. W., Hou, X. D., Chu, M. Q., Li, L. Q., Zhang, S. Y., Yuan, C., & Gao, X. X. (2022). Microstructure and mechanical properties of direct laser deposited DD98 superalloy. Materials Science & Engineering: A, 848: 143427.

 

 

背景简介

Ni基高温合金主要有面心立方(fcc)结构的基体γ相和弥散析出的有序Ni3(Al,Ti)(γ′)相组成,具有良好的高温性能。增材制造(AM)技术已广泛应用于镍基高温合金,尤其是Inconel 718。因其析出相的体积分数较低,Inconel 718常被认为是一种可焊高温合金。为了提高Ni基高温合金的高温蠕变性能,常通过提高γ′的体积分数 (γ′>40%)来实现,如CM247LC, Inconel 738,DD32或CMSX-4。然而,这些含有高γ′形成元素(Al和Ti)(即高γ′体积分数)的高温合金被认为是不可焊接的,在增材制造中容易开裂,是当前研究的热点。增材制造过程中,沉积参数(如激光功率和扫描速度)影响部件的热循环,因此影响其组织和内应力,进而改变部件的性能。因此,研究沉积参数对不可焊接的高温合金的组织和性能的影响规律至关重要。DD98是一种低成本的第二代单晶高温合金,有高的γ′形成元素(Al、Ti、Ta)。目前,对DD98的增材制造研究非常有限。本研究通过优化激光沉积工艺参数,获得无裂纹的DD98试件,并调控晶粒生长方向,为修复单晶DD98磨损部件提供新思路。

 

成果介绍

(1)采用直接激光沉积(DLD)技术成功制备了一种不可焊镍基DD98高温合金板材,无裂纹,无熔合型缺陷。试件呈现出非均匀的微观结构,与输入能量相关。图1为样品横截面的SEM图像。样品' 1 '的能量输入较低,即凝固过程中冷速较快,从而获得较细的枝晶,从而有望提高强度。枝晶间由γ/γ′共晶和一些析出相组成,根据析出相的形状和尺寸,白色组分可以分为三种类型: 块状、不规则和球形,能谱揭示块状粒子可能是富(Ta,Ti,Hf)的碳化物,不规则颗粒为富Hf的氧化物。

图1 两个样品横截面的SEM图像和能谱:样品' 1 ' (a)和' 2 ' (b)的二次电子图像(SEI)显示枝晶和枝晶间;更高倍率的SEI图像显示枝晶间的γ/γ '共晶和块状粒子(箭头)(c);BSE图像显示不同形貌的粒子(d);粒子' 1 '和' 2 '以及图1d所示的枝晶' 3 '的能谱(e)。

(2)在枝晶和枝晶间可见第二相,被确定为 MC型碳化物、HfO2氧化物。图2中的能谱图显示块状颗粒为富(Ta, Ti, Hf)的碳化物。选区衍射(图2b)证实了富(Ta, Ti, Hf)颗粒为fcc结构,晶格常数a = 0.45 nm的MC碳化物。这种碳化物常见于镍基高温合金中。

图2 块状MC碳化物的HAADF-STEM图像(a);图2a 中块状碳化物的[112]选区电子衍射图(b);图2a中块状富 (Ta,Ti,Hf)碳化物的能谱图(c)。

(3)利用EBSD对样品纵截面进行了表征,以揭示沿增材方向的晶粒形貌和织构。如图3所示,样品‘1’底部是宽度为61±16 μm的柱状晶粒,几乎平行于增材方向(图3a)。在中部,由于热流方向的改变,晶粒生长方向与增材方向偏离较大,中心区域的晶粒比边部的晶粒大(图3b)。而高能输入(样品‘2’)导致了<001>柱状晶粒的形成,且平行于增材方向。

图3 样品‘1’和‘2’不同位置的EBSD(IPF)图和对应的极图(PF)。注:IPF图中标记的区域用于重构PF,其它的PF来自整个区域。

(4)对增材方向进行拉伸测试后样品的SEM表征,表明断裂路径呈锯齿状,微小空洞起源于碳化物、晶界及滑移带(图4)。柱状晶组织导致强织构(图3),使力学性能各向异性:当拉伸方向平行于增材方向时,塑性较好(伸长率约为13%)且强度略高(1080 MPa),而拉伸方向垂直于增材方向时,表现为塑性较差(约2.3%伸长率),这是由于一些小孔洞沿柱状晶晶界分布所致。因此,今后的工作是调整工艺参数,以实现无/少孔洞的增材制造部件。

图4 拉伸方向平行于增材方向的拉伸样品的侧面SEM图像:断口路径呈锯齿状(a);微孔(黑箭头)在晶界处形成,微孔(白箭头)在碳化物/基体界面处萌生(b);碳化物开裂(白箭头)和微孔(黑箭头)在滑移带萌生(c)。

 

致谢

感谢广东省基础与应用基础研究重大专项、广东省创新创业团队引进计划的资助,感谢CY和XXG对先进金属与材料国家重点实验室提供的资金支持。本文通讯作者:丁仁根,张书彦(东莞材料基因高等理工研究院)。

本期小编:任 芬(整理)

杨逸璠(校对)

程 航(审核)

闵 琳(发布)