激光选区熔化GH5188合金组织和性能研究

张元伟,苏 庆,郎连林,陈 建,李 巍,刘雅辉,王 俊

(1. 中国航发贵州黎阳航空动力有限公司,贵州 贵阳 550000;2. 中国人民解放军93147部队某军事代表室,贵州 贵阳 550000;3. 上海交通大学 材料科学与工程学院,上海 200240)

0 引 言

20世纪90年代以来,随着激光技术、计算机技术、CAD/CAM技术以及机械工程技术的发展,金属零件激光制造技术在激光熔覆技术和快速成型技术的基础上应运而生,迅速成为增材制造领域内最有发展前途的先进制造技术之一。金属零件激光增材制造技术以高功率或高亮度激光为热源,逐层熔化金属粉末或丝材,直接制造出任意复杂形状的零件,其实质就是CAD软件驱动下的激光三维(3D)熔覆过程;根据材料在沉积时的不同状态,金属零件激光增材制造技术可以分为两大类:金属材料在沉积过程中实时送入熔池被称为激光直接沉积增材制造技术;金属粉末在沉积前预先铺粉被称为激光选区熔化(SLM)增材制造技术[1-8]。

激光选区熔化增材制造是基于离散堆积成型思路的先进增材制造技术之一,是把零件三维模型沿一定方向离散成一系列有序的微米量级薄层,以激光为热源,根据每层轮廓信息逐层扫描熔化预置的金属粉末,直接制造出任意复杂形状的近成型零件[9]。该技术解决了复杂金属构件的难加工、周期长等技术瓶颈,可制造出传统方法无法加工的复杂零件,具有大幅减少制造工序、缩短生产周期、降低成本等特点。近年来,随着科技的发展和对产品性能要求的不断提高,在航空、航天领域中的飞机、飞行器、发动机等一体化、轻量化复杂零部件制造上,已逐步开展SLM技术运用和研究工作。在国外航空、航天等领域大量运用,部分合金已经批量化生产;而其在我国航空、航天等领域也得到了初步的运用,但受原材料、打印工艺及设备等因素的影响,航空、航天用特种合金材料打印工艺还不成熟,需要进一步开展工程化应用工艺研究,制定相关检测及验收标准[10]。

本研究采用激光选区熔化增材制造工艺成型GH5188高温合金支板零件,详细对比了不同增材制造工艺参数成型的支板毛坯的微观组织和力学性能,最终获得了合格产品。

1 试验及方法

本研究中的支板材料为GH5188,是固溶强化型钴基高温合金。该合金中加入了14%(质量分数)的钨固溶强化,具有优良的高温热强性;该合金添加较高含量的铬和微量镧,具有良好的高温抗氧化性能,适用于制造航空发动机上在980℃以下要求高强度和在1100℃以下要求抗氧化的零件。本研究中的GH5188高温合金支板(图1)含流线型带扭转角度型面,外缘板、叶身布满气膜孔,四周均有封严槽,叶身及缘板主体壁厚为0.8mm,叶身轮廓度0.25(单侧向外),其余位置轮廓度0.3。其结构为典型大尺寸(轴向尺寸约400mm)、薄壁、空腔、带筋条结构,对尺寸精度和冶金性能等技术要求高。根据GH5188高温合金支板结构特点设计的激光选区熔化工艺流程如图2所示。

(a) 打印方向 (b) 支撑物图1 GH5188高温合金支板Fig.1 GH5188 superalloy support plate

图2 高温合金支板的SLM工艺流程Fig.2 SLM process flow of the superalloy support plate

GH5188合金支板SLM增材制造工艺如下。

(1) 摆放角度及成型方向

根据支板等零件技术要求和结构特点,在设定打印方案时,需要考虑零件的整体成型过程中的控形,又要考虑零件整体支撑的添加和后期零件的支撑去除对零件变形的影响。零件的摆放将直接决定零件的成型变形程度和支撑的添加,根据减小成型过程中应力的原则,选取投影面积最小的摆放方式确定支板的成型状态,GH5188合金零件在基板的成型摆放角度及成型方向如图1(a)所示。

(2) 支撑方案

采取添加X形筋条的方式对弧形壁板进行加强。为便于后续去除,在筋条与壁板连接处开设大量孔形槽,减少接触面积。U形结构两侧壁板因应力会产生向心收缩变形,充分利用3D打印的工艺,在内部田字形筋条处添加相互连接的自支撑的斜向筋条,如图1(b)所示。通过上述筋条实现控形后,支板中仍存在大量悬空位置,为此需要添加块状支撑进行固定。块状支撑主要起到托举作用,在增材制造过程中属于半致密烧结,结构强度低,易于去除。

SLM增材制造工艺参数和热处理制度如表1所示。在打印后的支板上分别切取横向(扫描方向)、纵向(垂直于扫描方向)及45°方向的测试试样,并按质量标准测试试样的微观组织和力学性能,从而选取最佳的成型工艺方案。

2 实验结果与分析

2.1 金相组织

各方案中打印件的横向和纵向金相组织见图3和图4。方案B的标准热处理(1180℃, 2h)试样在横向、纵向上基本没有孔洞和其他缺陷,横向金相组织有轻微的熔道痕迹。方案A的固溶热处理(1200℃, 1h,炉冷)试样在横向、纵向上均无明显孔洞或熔道痕迹,晶粒趋于等轴晶,晶界相对粗大。方案C的标准热处理(1180℃, 1h)试样在横向、纵向上有少量细微孔洞,晶粒较细,基本没有熔道痕迹。因此,方案B的微观组织较优。

图3 各方案打印件的微观组织(100倍放大)Fig.3 Microstructure of prints of (magnification of 100 times)

图4 各方案打印件的微观组织(500倍放大)Fig.4 Microstructure of prints of each scheme (magnification of 500 times)

2.2 室温拉伸性能和高温拉伸性能

各方案中打印件的室温拉伸性能如图5所示。方案B打印的室温拉伸性能优于其他两个方案,方案A和方案C的室温拉伸性能相当。

(a) 抗拉强度

各方案中打印件的高温拉伸性能如图6所示。多次试验表明:3个方案的980℃高温拉伸性能中的屈服强度Rp0.2均无法达到设计标准要求(不小于180MPa),但均可满足设计调整后不小于140MPa的要求。方案A和B中打印件的高温拉伸性能相当,但方案A各方向的高温拉伸性能一致性较好,并优于方案B和C,这可能与方案A采用的热处理温度偏高有关;方案C打印件的各方向高温拉伸性能相对偏低,这可能与采用的原材料粉末和热处理参数有关。

(a) 抗拉强度

2.3 室温冲击性能和硬度

各方案中打印件的室温冲击性能如图7所示。3种方案中打印件的冲击性能差异较大,方案C的各方向室温冲击性能偏高,方案B的偏低,这与室温拉伸性能指标中方案B室温强度偏高是相对应的。方案C的各方向室温冲击性能相对偏高与其采用的热处理制度有关,即热处理温度越低、热处理时间越短,则各方向室温冲击性能越高。

各方案中打印件的HBW硬度值如图8所示。方案B的硬度偏高,这与方案B室温抗拉强度偏高是相对应的。通过线性回归得到室温抗拉强度与硬度值的函数关系:

(1)

图8 各方案中打印件的HBW硬度Fig.8 HBW hardness of prints in each case

式中,Rm为室温抗拉强度(MPa),上标A, B, C为方案名称,HHBW为硬度。

同时,硬度值的差异性与打印工艺参数和热处理制度有关。通过方差分析,获得硬度值随热处理温度和热处理时间变化的函数关系:

HHBW=304.5-0.127T+1.108t,
R2=0.973,

(2)

式中,T为热处理温度(℃),t为热处理时间(min)。

2.4 高温持久性能和高温低周疲劳性能

各方案中打印件的高温持久性能如图9所示。方案B打印的各方向高温持久性能一致性较好,性能较优;方案A持久寿命偏低,这是由于方案A的热处理温度偏高导致晶界弱化和提前失效。

图9 各方案中打印件的持久性能Fig.9 Stress rupture properties of prints in each case

各方案中打印件的高温低周疲劳性能如图10所示。方案B中打印件经热等静压(1170℃, 140MPa, 3h)后,其高温低周疲劳寿命Nf显著下降,这是由于热等静压导致晶界WC长大。方案A的低周疲劳试验结果采用转换应力测试,达到标准参考值5500周次试样未断,这与试样的材料性能(主要是弹性模量)有关。方案A的实际试验载荷为300MPa(-300～300拉压疲劳),而方案B的实际载荷为530MPa(-530～530拉压疲劳),两者试验载荷有差异,但换算到同样试验载荷下时,两者的低周疲劳性能相当。方案C的低周疲劳寿命比方案A和B低,这与方案C的热处理工艺有关。

图10 各方案中打印件的700℃低周疲劳寿命Fig.10 Low cycle fatigue life at 700℃ of prints in each case

三方案的低周疲劳寿命与高温拉伸性能的趋势保持一致。通过线性回归获得高温低周疲劳寿命随高温抗拉强度变化的函数关系:

(3)

式中,Nf为高温低周疲劳寿命,Rm为高温抗拉强度(MPa),上标A、 B、 C为方案名称。值得一提的是,式(3)中Nf和Rm的测试温度并不相同,因此并不严格,此外方案A的疲劳寿命为满足条件时的中止疲劳寿命,而非最大疲劳寿命。

3 结 论

针对GH5188高温合金支板设计了3种SLM增材制造工艺方案和热处理制度,对比分析了3种方案中打印件的微观组织和力学性能,结论如下。

(1) 各方案中打印件微观组织和力学性能均满足要求,其中方案B的微观组织和力学性能最优,其打印参数为:铺粉层厚40μm,激光功率372W,激光扫描速度1000mm/s,填充线间距0.08mm,光斑直径0.11mm;热处理制度为:匀速升温,(1180±10)℃, 2h,充Ar冷却。

(2) 通过试验优化了GH5188高温合金支板的SLM工艺设计,掌握了打印件微观组织和力学性能调控技术,为同类零件的SLM成型提供了参考。