真空熱處理對激光近凈成形In625和C-276合金性能的影響

趙吉賓，王志國，趙宇輝，龍　雨，王福雨，來佑彬

(中國科學院 沈陽自動化研究所 裝備制造技術研究室，沈陽 110016)

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真空熱處理對激光近凈成形In625和C-276合金性能的影響

趙吉賓，王志國，趙宇輝，龍雨，王福雨，來佑彬

(中國科學院 沈陽自動化研究所 裝備制造技術研究室，沈陽 110016)

對激光近凈成形兩種鎳基高溫合金Inconel 625和Hastelloy C-276分別進行熱處理實驗，然后分析熱處理工藝參數對合金室溫拉伸性能的影響。結果分析表明：在800,900℃去應力熱處理后，Inconel 625合金抗拉強度提升不明顯，而在1000℃以上進行固溶處理后，合金抗拉強度得到提高。1100℃熱處理后，Inconel 625合金的抗拉強度與沉積態相比得到明顯提高。在800,900℃去應力熱處理后，Hastelloy C-276合金強度也未明顯提高，而在1000℃以上進行熱處理，隨著熱處理溫度提高，合金抗拉強度逐漸升高。1150℃進行熱處理后，Hastelloy C-276合金的抗拉強度與沉積態相比得到明顯提高。激光近凈成形工藝制備的兩種鎳基高溫合金室溫拉伸斷裂方式為韌性斷裂。

鎳基高溫合金；激光近凈成形；熱處理；力學性能

鎳基高溫合金材料在航空航天、能源工業、化學工業中已經獲得了廣泛的應用[1]。Inconel 625合金是一種Ni-Cr-Mo-Nb系固溶強化型鎳基高溫合金，由于其所具備的優異力學性能及抗腐蝕性能，在燃氣輪機、核工業、化學工業等領域獲得了廣泛的應用[2]。Hastelloy C-276合金作為一種Ni-Cr-Mo系鎳基高溫合金，由于其具有較好的高溫強度、韌性及優越的抗腐蝕和抗氧化性能，在化工、石油和核工業等領域也獲得了廣泛的應用[3，4]。通常采用這類耐腐蝕性合金制備的零件形狀復雜，采用常規工藝制備零部件所需成本高、材料利用率低。激光近凈成形(Laser Engineered Net Shaping, LENS)作為一種多學科交叉的新興加工工藝，由于其自身所具備的工藝特點，在制造鎳基高溫合金復雜零部件上有獨特的優勢，因而開展鎳基高溫合金激光近凈成形相關研究是非常必要的。

經過激光近凈成形工藝所制備的合金零件內部存在著復雜的殘余應力場，對零件的使用造成極大的危害。另外，激光近凈成形所制備的零件組織往往還需要通過后續熱處理來進一步優化。目前國內外一部分研究學者已經開展了鎳基高溫合金激光/電子束近凈成形制備表面涂層組織性能的研究[5-7]，但是對激光近凈成形后續熱處理工藝的研究較少。在鎳基高溫合金激光近凈成形相關研究方面，國內外相關研究學者對Inconel 718合金激光近凈成形及后續熱處理相關工藝研究相對較深入[8-13]，對激光近凈成形Hastelloy C-276合金還未開展報道，對Inconel 625激光近凈成形后續熱處理工藝相關研究也處于起步階段[14-17]，Dinda等[14]，Xing等[15]對Inconel 625合金激光近凈成形后續熱處理對合金組織影響開展了初步研究。基于以上研究背景，對于激光近凈成形高溫合金開展熱處理工藝的研究就顯示出重要意義。本工作對激光近凈成形兩種抗腐蝕型鎳基高溫合金Inconel 625和Hastelloy C-276進行熱處理工藝研究，研究熱處理工藝參數對兩種合金性能的影響規律，以期獲得激光近凈成形兩種鎳基高溫合金的合理熱處理工藝參數。以下部分對Inconel 625和Hastelloy C-276合金分別簡稱為In625和C-276合金。

1　實驗材料與方法

1.1激光近凈成形制備沉積態試樣

在中科院沈陽自動化研究所自行開發的激光近凈成形系統上制備了初始沉積態試樣，該激光近凈成形系統由IPG-2000型光纖激光器(最大輸出功率2kW)、高精度同軸送粉器、6關節度Staubli機器人、同軸送粉噴嘴以及基板冷卻系統等關鍵設備組成。激光近凈成形采用的兩種鎳基高溫合金In625和C-276粉末化學成分如表1所示。分別對兩種合金采用相同的工藝參數(激光功率1300W、掃描速率7mm/s、送粉速率1.5g/min)，在45鋼基板上成形了6塊薄壁狀沉積態試樣(其中5塊沉積態試樣用于后續熱處理分析)，所制備的薄壁試樣尺寸為75mm×80mm×4mm。

從45鋼基板上切取沉積態試樣，并沿沉積方向上切取熱處理試樣，并預留沉積態試樣做對比分析，每塊沉積態試樣上切取3個熱處理試樣，并密封于同一真空石英管中，確保合金熱處理過程中不受氧化。分別對In625和C-276合金進行上述實驗步驟，圖1為兩種合金密封處理后試樣。

表1　In625和C-276合金粉末化學成分(質量分數/%)

圖1　真空密封處理后兩種合金熱處理試樣Fig.1　Samples for heat treatment under vacuum sealing process

1.2真空熱處理

對兩種合金進行真空熱處理實驗，表2為兩種合金所采用的熱處理工藝參數(其中No.5為2級熱處理工藝)。在熱處理后對合金的室溫拉伸性能進行測試，并用掃描電鏡分析合金熱處理態和沉積態組織變化與斷口形貌變化規律。激光近凈成形兩種合金的熱處理工藝參數設置參考了合金常規的熱處理工藝參數，及通過差熱分析所獲得的兩種合金相變溫度。熱處理工藝參數選擇范圍，包含了合金的去應力處理和固溶處理溫度區間。

表2　In625和C-276熱處理工藝參數

圖2　拉伸試樣尺寸Fig.2　Size diagram of tensile sample

真空熱處理后，將熱處理試樣加工成拉伸試樣，每組熱處理參數取三個拉伸試樣，拉伸試樣尺寸如下圖2所示。對沉積態以及熱處理態試樣進行室溫拉伸實驗，并將所獲得實驗數據進行統計分析。

2　結果與分析

2.1熱處理工藝參數對In625合金性能影響

圖3為不同狀態激光近凈成形In625合金室溫強度對比圖。其中HT1～HT5分別代表激光近凈成形In625合金所采用的表2中熱處理工藝參數1～5。每個熱處理溫度下的強度值為同一熱處理工藝下3個拉伸試樣強度取平均所獲得。通過對激光近凈成形制備的In625合金沉積態和熱處理態性能進行統計分析、對比可以得出，在800～1100℃區間進行熱處理后，合金的屈服強度變化不大，而抗拉強度出現變化。800℃和900℃退火后，合金的抗拉強度與沉積態相比基本相同。在1000℃以上進行熱處理后，合金的抗拉強度相比于沉積態得到提高。在1100℃熱處理后，合金強度得到明顯提高。

圖3　沉積態及熱處理態In625合金力學性能對比Fig.3　Comparison of mechanical property of In625 alloy under heat treatment and deposited conditions

In625合金在較低溫度(800，900℃)下進行熱處理后，合金的強度與沉積態相比基本上無變化。在800，900℃進行熱處理時，熱處理溫度還未達到相變溫度，且熱處理后晶粒大小也未發生變化，組織基本上與初始沉積態相同，熱處理僅僅消除了激光近凈成形試樣內部存在著復雜的殘余應力。800，900℃熱處理后合金抗拉強度未發生明顯變化，可見去應力處理對In625合金的室溫強度沒有明顯影響。根據文獻[14]研究表明，In625激光近凈成形后，沉積態組織中存在著分布于枝晶間的γ"、MC型碳化物、Laves等析出相。文獻[14,15]研究表明在900℃進行熱處理后，γ"相轉變為δ相，在1000℃以上熱處理后，合金中γ"，Laves等析出相溶解。熱處理過程中合金析出相的變化對合金性能有著重要的影響。即使同一種合金，可能會由于組成元素種類和成分差異，出現不同的組織和組成相。分析沉積態In625合金組織可知，由于激光近凈成形過程凝固速率大，最后凝固的枝晶間位置Cr，Nb，Mo等元素富集，如圖4沉積態組織中析出相能譜分析所示，根據文獻中研究以及析出相中的元素組成分析，確定枝晶間析出相為Laves相，Laves相固定了大量的Cr，Mo，Nb等元素，降低了固溶強化作用。在800，900℃熱處理，合金中的Laves相沒有溶解，因而合金強度沒有得到提高。

1000℃以上對激光近凈In625合金進行熱處理，初始沉積態組織中的Laves相出現溶解，合金抗拉強度得到提高。對比圖5(a)，(b)沉積態和熱處理(1100℃×1h)后合金組織，可以得出，熱處理態組織相比于沉積態組織Laves相尺寸明顯減小，Laves相的溶解會導致合金中枝晶間成分偏析減弱，一部分強化元素固溶于基體中進一步強化合金，合金的強度得到了明顯升高。含Nb元素的鎳基高溫合金在時效處理后，合金組織可能析出γ"相，而本工作對成形后合金組織分析，并未發現有γ"相析出，因而時效處理對合金性能影響很小。

圖4　激光近凈成形In625合金沉積態組織能譜分析　(a)SEM照片；(b)能譜分析結果Fig.4　Spectrum analysis of In625 precipitation phase by LENS　(a)SEM micrograph；(b)EDS analysis

經過激光近凈成形制備的In625合金力學性能與常規工藝制備合金力學性能對比研究可得，激光近凈成形制備的In625合金經過固溶熱處理(1100℃×1h)后合金室溫強度為745MPa，介于鑄造態和鍛造態之間，表3為常規工藝制備In625合金室溫拉伸力學性能[2]。經過激光近凈成形所制備的In625合金枝晶間距小于常規鑄造態枝晶間距，細小的亞結構保證了合金的高性能[14]。激光近凈成形過程合金凝固速率大，組織中亞結構非常細小，因而激光近凈成形制備的In625合金室溫強度優于鑄造態。本工作制備的In625合金強度與鍛造態存在一定的差距，分析原因可能是由于合金零件初始的沉積態試樣中存在著一些顯微縮松，對合金的性能造成了影響，圖6為激光近凈成形制備的In625合金顯微組織，可以看到合金存在著顯微縮松。由于本工作在激光近凈成形過程中，激光功率較低，成形基板固定于通循環冷卻水的裝置上，導致成形過程熱輸入低，并且合金凝固速率高，因而移動熔池上部在最后凝固的枝晶間位置處沒有得到及時補縮而形成顯微縮松，激光重新掃過該位置時，已成形部分中出現缺陷的位置未能完全重熔而導致最終縮松的形成。另外合金中的元素含量差異對合金的性能有一定的影響，本工作所用的In625合金由于元素種類及成分決定了成形后合金組織中未有明顯的強化相析出，因而未能通過沉淀強化進一步強化合金。

圖5　In625合金組織　(a)沉積態；(b)1100℃×1hFig.5　Microstructure of In625 alloy　(a)deposited condition；(b)1100℃×1h

表3　常規工藝制備的In625合金力學性能[2]

圖6　激光近凈成形In625合金組織Fig.6　Microstructure of In625 alloy by LENS

圖7　沉積態及熱處理態C-276合金力學性能對比Fig.7　Comparison of mechanical property of C-276 alloy under heat treatment and deposited conditions

2.2熱處理工藝參數對C-276合金性能影響

圖7為激光近凈成形C-276合金熱處理態和沉積態室溫強度對比圖。其中每個熱處理溫度下的強度值為同一熱處理工藝下2個拉伸試樣強度取平均值所獲得。HT6～HT10分別為C-276合金所采用的表2中熱處理工藝參數6～10。分析圖中的數據，在800～1150℃內，隨著熱處理溫度的提高，屈服強度變化不明顯。800，900℃熱處理后，合金的抗拉強度相比于沉積態提高不明顯，而1000℃以上進行熱處理時，合金抗拉強度隨著熱處理溫度提高而升高。

對激光近凈成形C-276合金沉積態組織分析，合金組織中存在白色的析出相，能譜分析(如圖8所示)表明析出相中主要含Cr，Mo，Ni，W等元素，結合C-276合金組成元素分析，表明沉積態組織中析出相應為碳化物相，這些碳化物相集中分布于枝晶間，尺寸較大，導致合金出現微觀成分偏析，影響合金的性能。在800，900℃熱處理時，合金中的碳化物相并未出現溶解，且初始組織中的枝晶間距和晶粒大小并基本上沒有變化，所以在較低溫度下熱處理后合金組織與沉積態基本相同，因而強度沒有明顯提升。同樣可以得出，C-276合金在去應力熱處理后，合金強度基本上沒有提高。

當熱處理溫度升高到1070℃和1150℃后，熱處理后合金的強度明顯升高。對比圖9中(a)，(b)沉積態組織與(1150℃×1h)熱處理態組織可得，熱處理過程中沉積態組織中的分布于枝晶間的碳化物相溶解于基體，使得合金微觀成分偏析減輕，熱處理后合金組織中碳化物相分布更加均勻、細小，而使得合金的室溫強度得到提升。經過分析表明，對于激光近凈成形C-276鎳基高溫合金，在1070℃和1150℃固溶處理處理后，合金室溫強度得到明顯提高。可見對于C-276合金激光近凈成形后需通過固溶熱處理進一步優化組織來提高合金性能，在較低溫度下去應力退火處理后合金的室溫強度基本上不發生變化。

圖8　激光近凈成形C-276合金沉積態組織能譜分析　(a)SEM照片；(b)能譜分析結果 Fig.8　Spectrum analysis of C-276 precipitation phase by LENS　(a)SEM micrograph；(b)EDS

表4為鍛造工藝制備的C-276(N10276) 合金室溫拉伸性能，對比本工作激光快速成形制備的C-276合金室溫性能，可以得出激光近凈成形制備的C-276合金熱處理后室溫性能達到鍛件標準。激光近凈成形C-276合金內部亞結構細小，基本上無縮松、氣孔等缺陷，保證了其成形后零件高性能。相比于In625合金，在同樣的工藝參數下，C-276合金相比于In625合金激光近凈成形過程導熱慢，熔池凝固速率小于In625合金(但仍然遠大于常規鑄造工藝凝固速率)，因而在激光近凈成形未出現缺陷。

表4　常規工藝制備的C-276合金力學性能

圖9　C-276合金組織　(a)沉積態;(b)1150℃×1hFig.9　Microstructure of C-276 alloy　(a)deposited condition;(b)1150℃×1h

2.3兩種合金斷口形貌分析

圖10為In625合金沉積態和熱處理態斷口形貌照片，激光近凈成形沉積態和800℃熱處理態室溫拉伸都呈穿晶斷裂，斷口照片中韌窩尺寸較大。經過1100℃熱處理后，合金仍呈現穿晶斷裂，韌窩變小，這是由于固溶熱處理后，合金組織和成分更加均勻。圖11為C-276合金沉積態和熱處理態斷口形貌照片，對比圖中照片可以看出，激光近凈成形沉積態和熱處理態都呈現出韌性穿晶斷裂。沉積態和1150℃固溶熱處理態斷口形貌相比可知，沉積態試樣斷口韌窩較大而深，固溶熱處理后韌窩變小。

圖10　不同狀態下In625合金斷口形貌　(a)沉積態;(b)800℃×1h;(c)1100℃×1hFig.10　Fracture morphology of In625 alloy under different conditions (a)deposited condition；(b)800℃×1h；(c)1100℃×1h

圖11　不同狀態下C-276合金斷口形貌　(a)沉積態;(b)900℃×1.5h;(c)1150℃×1.5hFig.11　Fracture morphology of C-276 alloy under different conditions (a)deposited condition;(b)900℃×1.5h;(c)1150℃×1.5h

總結激光近凈成形制備的兩種鎳基高溫合金In625與C-276的室溫拉伸斷裂方式，表明C-276和In625斷裂方式都呈穿晶斷裂，在斷口照片上能夠觀察到韌窩，可見采用激光近凈成形工藝制備的兩種鎳基合金C-276和In625的韌性都較好，熱處理態和沉積態室溫拉伸都呈現韌性斷裂。

3　結論

(1)激光近凈成形In625合金在800，900℃去應力處理后，合金室溫抗拉強度基本上沒有提高，而固溶處理后，合金的抗拉強度得到提高。相比于沉積態，1100℃固溶處理后合金室溫抗拉強度得到明顯提高。激光近凈成形工藝所制備的In625合金熱處理后室溫強度處于鑄造態和鍛造態之間。

(2)激光近凈成形C-276合金在800，900℃去應力熱處理后，合金室溫強度基本上沒有提高，而在1000℃以上固溶處理后，合金室溫抗拉強度隨著固溶溫度提高逐漸提高，屈服強度基本上無變化。在1150℃進行熱處理后，C-276合金的抗拉強度與沉積態相比得到明顯提高。激光近凈成形工藝所制備的C-276合金，室溫強度達到了鍛造態水平。

(3)激光近凈成形制備的C-276和In625合金斷裂方式都呈穿晶斷裂，在斷口照片上能夠觀察到韌窩，可見采用激光近凈成形工藝制備的兩種鎳基高溫合金的韌性都較好，呈現韌性斷裂。

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Influence of Vacuum Heat Treatment on Properties of Laser Engineered Net Shaping In625 and C-276 Alloy

ZHAO Ji-bin，WANG Zhi-guo，ZHAO Yu-hui，LONG Yu，WANG Fu-yu，LAI You-bin

(Equipment Manufacturing Technology Department,Shenyang Institute of Automation,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China)

The heat treatment of laser engineered net shaping two kinds of nickel-based superalloy was carried out，and the influence of heat treatment parameters to the alloy’s property was analyzed. The analysis of results indicates that: the room temperature tensile strength of Inconel 625 superalloy is not improved obviously under the stress relieving heat treatment, nevertheless after the solution treatment is done over 1000℃，the room temperature tensile strength is improved. The tensile strength after 1100℃ heat treatment is improved obviously compared with the deposited condition. The room temperature strength of Hastelloy C-276 is not improved obviously under the stress relieving heat treatment. Whereas, when the heat treatment is done above 1000℃, the room temperature tensile strength of laser near net shaping Hastelloy C-276 superalloy gradually increases with the increase of heat treatment temperature. After 1150℃ heat treatment, the tensile strength of Hastelloy C-276 increases obviously, compared with the deposited condition. The fracture mode of the two kinds of laser engineered net shaping nickel-based superalloy is ductile fracture.

nickel-based superalloy；laser engineered net shaping；heat treatment；mechanical property

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.03.005

TG146.4

A

1001-4381(2016)03-0028-07

中科院重點部署項目(KGZD-EW-T04-2)

2014-11-06；

2015-05-06

趙吉賓(1970-)，男，研究員，博士，主要從事金屬材料激光加工方面的研究，聯系地址：沈陽市沈河區南塔街114號中國科學院沈陽自動化研究所(110016)，E-mail:jbzhao@sia.cn