掃描間隙對激光粉床熔融GH4169合金微觀組織及硬度的影響

（東莞理工學院 機械工程學院，廣東 東莞 523808）

金屬材料增材制造工藝（Additive manufacturing of metallic materials,AMMM）可以直接將三維數字模型加工為實際產品，與減材制造工藝相比，AMMM工藝在近凈成形方面具有天然的優勢，例如可以減少產品設計和加工時間、節省原材料以及降低能耗等[1—2]。激光粉床熔融工藝（Laser powder bed fusion,L-PBF）利用激光束斑有區域選擇性地逐層熔化粉床上的粉層，成形精度較高，加工后構件相對密度可接近100%，是AMMM技術中最有應用前景的技術之一[3—5]。

GH4169合金具有優異的綜合性能，如耐高溫、抗腐蝕、抗氧化等，在航空航天、核工業以及海洋工業等中的應用越來越廣泛[6—8]。GH4169合金的高硬度和低導熱性導致其減材制造工藝中存在加工困難及成本高昂等問題[9]。L-PBF技術可以制造出接近最終形狀的零件，國內外眾多學者針對GH4169合金的L-PBF工藝，開展了大量研究。Scime和Beuth[10]研究了GH4169合金在激光粉床熔融過程中熔池尺寸及形貌的變化。Gallmeyer等[11]基于不同熱處理工藝下激光粉床熔融GH4169合金微觀組織與力學性能之間的關系，提出了一種新的熱處理工藝。Rezaei等[12]研究了激光粉床熔融GH4169合金微觀組織及力學性能的各向異性。Chen等[13]采用L-PBF工藝，研究了GH4169合金與316不銹鋼之間的焊接過程。

L-PBF工藝參數包括激光功率、掃描速度、掃描間隙及粉層厚度等，其中，掃描間隙為相鄰激光掃描路徑之間的間隙，是L-PBF中重要的工藝參數，因此，文中將重點研究不同掃描間隙條件下，激光粉床熔融GH4169合金微觀組織及硬度的演變規律。

1 實驗

材料為美國Carpenter公司生產的GH4169粉末，化學成分如下（質量分數）：Ni為53.06%，Cr為19.65%，Nb為5.02%，Mo為3.07%，Ti為1.00%，Al為0.46%，C為0.04%，余量為Fe。所用粉末的形貌如圖1所示，篩分分析顯示粉末粒徑大部分分布在15～45 μm。

圖1 GH4169粉末的形貌Fig.1 Morphology of GH4169 powder

采用廣東漢邦激光科技有限公司的HB 280型激光粉床熔融設備，制備了尺寸為 10 mm×10 mm×10 mm的立方塊試樣，制備過程中所采用的掃描路徑如圖2所示，x和y方向為掃描方向，z方向為沉積方向，掃描間隙為60，80，100 μm，粉層厚度為40 μm，掃描速度為2000 mm/s，激光功率為350 W。

圖2 掃描路徑示意圖Fig.2 Schematic representation of scan strategy

采用80#～2000#砂紙，對試樣的xy面和xz面分別進行機械研磨，隨后采用3 μm的金剛石懸浮液進行拋光，接著采用美國VibroMet 2振動拋光機進行振動拋光，最后采用光學顯微鏡（Optical microscopy，OM）和電子背散射衍射（Electron backscatter diffraction，EBSD）進行觀察。對于 OM試樣，采用 100 mL HCL+100 mL CH3CH2OH+5 g CuCl2溶液進行化學腐蝕。采用OLYMPUS-GX71型光學顯微鏡和Philips XL30FEG型掃描電子顯微鏡進行微觀組織觀察，采用Mitutoyo HM-102型硬度儀進行了硬度測量，最后根據阿基米德原理，測量了試樣的密度。

2 結果與分析

2.1 激光粉床熔融GH4169合金微觀組織特征

圖3所示為試樣xz面的微觀組織形貌，其中圖3a為熔池形貌，圖3b為晶粒形貌及取向。由圖3a—b可知，xz面晶粒形貌為沿沉積方向延伸的柱狀晶，柱狀晶晶內取向差異不大，并且柱狀晶的生長穿過了熔池邊界，跨越了多個沉積層。這是因為在粉層熔融凝固過程中，熔池的溫度梯度可以高達105K/m，處于柱狀晶生長的凝固條件內。同時，激光穿透了前一粉層熔融時所形成的熔池，前一粉層熔池和沉積層界面上未熔化的晶粒為新柱狀晶的外延性生長提供了形核點[14]，因此，激光粉床熔融GH4169合金的晶粒組織以沿著沉積方向延伸的柱狀晶為主，并且晶內的取向差異較小。此外，由圖3b可知，晶粒形貌雖然不規則，但大部分沿著＜001＞方向生長，這是因為GH4169合金的基體為面心立方結構，＜001＞方向為其晶粒長大的擇優取向[15]。

圖4所示為試樣xy面的微觀組織形貌，其中圖4a所示為背散射電子圖，圖4b所示為放大后的背散射電子圖。由圖4a可知，xy面上的晶粒形貌非常不規則。圖4b顯示，放大后晶粒內部具有尺寸小于1 μm的柱狀胞晶組織，激光粉床熔融GH4169合金晶粒組織內部的這種柱狀胞晶組織來自于凝固形態、溶質原子排斥以及熱應力等因素的共同作用[11]。凝固時溶質原子被排斥至枝晶尖端，因此胞晶組織的尺寸取決于熔池凝固時的枝晶形狀。同時，由于相鄰沉積層反復熔融凝固時所產生的熱應力的影響，胞晶組織的胞晶界上有位錯纏結形成。

圖3 掃描間隙為60 μm下的xz 面微觀組織形貌Fig.3 Microstructure of xz plane under hatch distance of 60 μm

圖4 掃描間隙為60 μm下的xy 面微觀組織形貌Fig.4 Microstructureof xy plane under hatch distance of 60 μm

2.2 掃描間隙的影響

圖3a及圖5為不同掃描間隙下的微觀組織形貌，可知，隨著掃描間隙的增加，熔合不良缺陷顯著增多。這是因為激光能量密度與掃描間隙呈負相關，隨著掃描間隙的增加，激光能量密度逐漸不能充分地熔化沉積層之間的粉末，導致出現搭接不良的問題。

圖6為不同掃描間隙下試樣的相對密度及硬度。由圖6a可知，試樣相對密度隨著掃描間隙的減小而逐漸升高。試樣相對密度隨掃描間隙的演變規律與圖3a及圖5的微觀組織觀察相吻合。隨著掃描間隙的減小，激光能量密度升高，試樣微觀缺陷減少，相對密度隨之升高。

圖5 不同掃描間隙下的xz 面微觀組織形貌Fig.5 Microstructure of xz plane under different hatch distances

圖6 掃描間隙對相對密度及硬度的影響Fig.6 Effects of hatch distance on relative density and hardness.

圖6b為試樣xy面及xz面硬度隨掃描間隙的演變規律，可知，不同掃描間隙下的試樣硬度相差不大，而試樣xz面硬度普遍高于xy面硬度，這是因為激光熔融GH4169合金的微觀組織具有顯著的各向異性。

3 結語

1）激光熔融GH4169合金的微觀組織形貌具有顯著的各向異性。在平行于沉積方向上，晶粒形貌為沿沉積方向延伸的柱狀晶，柱狀晶晶內取向差異不大，并且柱狀晶的生長穿過了熔池邊界，跨越了多個沉積層；在垂直于沉積方向上，晶粒內部具有尺寸小于1 μm的柱狀胞晶組織。

2）掃描間隙對激光熔融GH4169的微觀組織及相對密度具有顯著影響。隨著掃描間隙的增加，GH4169合金的微觀缺陷增多，相對密度降低。