激光3D打印GH4169材料性能試驗(yàn)研究

喬 雷， 孫海燕

（中國航發(fā)航空科技股份有限公司， 四川 成都 610503）

引言

激光3D打印技術(shù)的專業(yè)術(shù)語也叫激光立體成形技術(shù)，這種技術(shù)誕生于20世紀(jì)80年代末期，是制造技術(shù)原理的一次革命型突破，目前國內(nèi)外都開展激光3D打印技術(shù)研究，并有著多處成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)。

激光3D打印可用于成型制造與完成具有復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的鍛、鑄件和模具制造，同時(shí)具備成型精度高、零件輕量化和制造成本低等優(yōu)勢[1]；激光3D打印可用于材料表面改性，提高基體材料硬度和耐磨性[2]；激光3D打印技術(shù)一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，是高價(jià)值零件修復(fù)，可以延長零件壽命、降低維修成本、縮短生產(chǎn)進(jìn)度。

雖然激光3D打印技術(shù)最初主要是作為一種金屬零件高性能快速制造技術(shù)而發(fā)展起來的，但工業(yè)界卻越來越關(guān)注其作為一種高性能成形修復(fù)技術(shù)的巨大技術(shù)優(yōu)勢。在航空航天、機(jī)械、能源、船舶等領(lǐng)域的大型裝備，其高性能快速修復(fù)都對激光3D打印技術(shù)提出了迫切需求。資料表明，美國采用激光立體成形技術(shù)維護(hù)軍事裝備資產(chǎn)達(dá)40億美元/年，在飛機(jī)、路基和海基系統(tǒng)都配備了激光立體3D打印系統(tǒng)。激光3D打印修復(fù)的主要有以下優(yōu)點(diǎn)[3]：

1）修復(fù)的力學(xué)性能高，可以達(dá)到鑄件以及鍛件新件的性能要求。

2）修復(fù)的變形很小，可以在大面積薄壁零件上進(jìn)行大體積增材修復(fù)。

3）可以進(jìn)行成形修復(fù)，恢復(fù)具有復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)的損傷局部和性能。

GH4169材料由于具有良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧化、耐腐蝕性能以及良好的加工性能，能夠制造各種形狀復(fù)雜的零部件，在航空航天、核能、石油工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。通常GH4169材料零件價(jià)值較高，如高溫合金鑄件機(jī)匣件多在20～50萬元，而整體葉盤毛料接近甚至超過100萬元。過去由于缺乏適當(dāng)?shù)男迯?fù)技術(shù)而不得不報(bào)廢，其帶來的不僅是高昂的經(jīng)濟(jì)損失，且由于這些零件制造周期一般很長，重新造新件往往會顯著延緩產(chǎn)品交付時(shí)間。通過激光3D打印技術(shù)進(jìn)行定向局部增材修復(fù)，可以有效解決上述問題。

激光3D成型的主要問題是質(zhì)量未經(jīng)驗(yàn)證，缺乏相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因而在零件修復(fù)中仍受到設(shè)計(jì)限制。

1 主要內(nèi)容

試驗(yàn)采用國產(chǎn)固溶態(tài)GH4169完成激光3D打印增材，時(shí)效熱處理后進(jìn)行無損探傷和力學(xué)性能測試，并與材料手冊中相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，對激光3D增材部分性能進(jìn)行分析。

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

采用ARNOLD激光設(shè)備6000W光纖激光器、同軸和四通道熔覆激光頭。

1.2 試樣規(guī)格

試樣按下頁圖1準(zhǔn)備。

1.3 打印材料

GH4169粉，國內(nèi)制備。

1.4 試驗(yàn)過程

1）在GH4169材料上銑加工深6 mm，寬14 mm的槽，槽底由R6圓弧轉(zhuǎn)接，具體如下頁圖1所示。2）在槽內(nèi)激光3D成形新的材料，將槽內(nèi)部填滿。3）熱處理：720℃保溫8 h，以55℃/h的冷卻速度冷卻至620℃保溫8 h，空冷。

4）將槽頂銑平，以進(jìn)行熒光和X光檢查。5）熒光檢查和X光檢查。

圖1 試樣規(guī)格試樣圖（mm）

6）取力學(xué)試樣和宏觀金相試樣。力學(xué)試樣規(guī)格如圖2所示，金相試樣沿槽橫切，數(shù)量3個(gè)。

7）宏觀金相試驗(yàn)分析、力學(xué)試驗(yàn)。

圖2 力學(xué)試樣示意圖（mm）

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 無損探傷試驗(yàn)結(jié)果

試樣熒光和X光檢查結(jié)果如表1所示，在3D打印區(qū)域存在氣孔和夾雜，尺寸在0.10～0.20 mm，間距大于25 mm，這些缺陷的產(chǎn)生主要是在粉末填充材料冶金過程中產(chǎn)生的。

表1 試樣無損探傷結(jié)果

2.2 金相試驗(yàn)結(jié)果

金相試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，3個(gè)切面放大9倍后未見缺陷顯示。

2.3 力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

室溫（20℃）和650℃拉伸數(shù)據(jù)如表2所示，650℃和700 MPa持久數(shù)據(jù)見如表3所示。每個(gè)表下面附不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定GH4169的力學(xué)性能。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖3 試樣宏觀金相照片

表2 室溫（20℃）和650℃拉伸數(shù)據(jù)

表3 650℃持久性能

表4是GH4169鍛鑄件制造過程中無損探傷相關(guān)驗(yàn)收要求，從表中可知：相關(guān)鍛鑄件驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中表面最大允許的缺陷尺寸為0.76 mm且間距大于12.7 mm，內(nèi)部允許不大于0.4 mm氣孔或夾雜。而表2表明：激光3D打印GH4169熒光檢查結(jié)果顯示其表面缺陷單個(gè)尺寸在0.18 mm，間距大于25 mm，滿足表4中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；同時(shí)激光3D打印GH4169 X光檢查結(jié)果顯示其表面缺陷單個(gè)尺寸在0.2 mm以下，滿足表4中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對內(nèi)部質(zhì)量的要求。可以看出激光3D打印GH4169材料試樣表面和內(nèi)部質(zhì)量能夠滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對零件缺陷驗(yàn)收要求。

表4 鍛鑄件無損探傷驗(yàn)收要求

激光3D打印GH4169試樣在20℃和650℃抗拉強(qiáng)度（σb）和屈服強(qiáng)度（σ0.2）都接近或高于 GH4169普通鍛件和GH4169高強(qiáng)度鍛件，但低于直接時(shí)效GH4169鍛件，20℃和650℃抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到直接時(shí)效鍛件的91%和92%，20℃和650℃屈服強(qiáng)度分別達(dá)到直接時(shí)效鍛件的89%和94%；在20℃時(shí)延伸率（δb）和斷面收縮率（ψ）高于不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定GH4169鍛件驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，但650℃延伸率低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的驗(yàn)收要求；650℃持久性能方面，在700 MPa載荷下持久時(shí)間大于直接時(shí)效鍛件要求的25 h，為31.56 h，但斷面收縮率為3%，小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的5%的要求。

激光3D打印GH4169試件在20℃和650℃抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度高于普通GH4169鍛件，與高強(qiáng)GH4169鍛件接近，但低于直接時(shí)效GH4169鍛件為90%左右；與20℃相比，激光3D打印GH4169試件延伸率和端面收縮率略有下降，同時(shí)650℃持久試驗(yàn)斷面收縮率也低于直接時(shí)效GH4169鍛件，這表面在650℃激光3D打印GH4169試樣脆斷傾向較為明顯，這可能是由于650℃晶界更加活躍易發(fā)生脆斷、激光成形材料與母材結(jié)合力較差所導(dǎo)致的。

3 結(jié)論

激光3D打印GH4169材料內(nèi)部缺陷可以滿足標(biāo)準(zhǔn)對零件內(nèi)部缺陷和表面缺陷的驗(yàn)收要求。在力學(xué)性能方面，室溫（20℃）下激光3D打印GH4169材料低于直接時(shí)效GH4169鍛件，但高于普通GH4169鍛件，并與高強(qiáng)GH4169鍛件接近。650℃下激光3D打印GH4169脆斷傾向較為明顯。

激光3D打印可以用于GH4169材料零件的修復(fù)，修復(fù)后的零件能夠滿足零件探傷要求；修復(fù)后部位與零件母材力學(xué)性能有所不同，主要體現(xiàn)在高溫下有脆斷的傾向，因而不適于高溫下承受載荷部位如安裝邊、承力支柱等主要承力部位大面積修復(fù)。

激光3D打印技術(shù)可以作為一種有效的GH4169材料零件修復(fù)手段以用于非載荷部位、常溫條件下工作零件修復(fù)；對于高溫工作下關(guān)鍵部位零件和重要件激光3D打印技術(shù)僅推薦用于修復(fù)不大于5%面積/周長的缺陷[5]。而對于其他材料激光3D打印修復(fù)仍需要數(shù)據(jù)給予支持。

[1] 楊博宇，陳俊宇，殷鳴，等.3D打印技術(shù)在燃?xì)廨啓C(jī)葉片快速制造中的應(yīng)用發(fā)展[J].機(jī)械，2017，44（3）：1-6.

[2]段明忠，戴宇杰，卿志萍.激光熔敷Fe/（Ti，W）C復(fù)合材料的研究[J].機(jī)械，2015，42（8）：77-80.

[3]黃衛(wèi)東.“3D打印”給鑄造業(yè)帶來的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[G]//2013中國鑄造活動周論文集，2013：1-3.

[4] 中國航空材料手冊（第2卷）：第2版[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001：326-359.

[5] WGH-014后整流艙焊接技術(shù)條件[Z].成都：國營第420廠，1994.

（編輯：李媛）