原始粉末粒度對GH4169合金選區(qū)激光熔化成形件組織和性能的影響

（中南大學粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083）

GH4169高溫合金具有強度高、耐腐蝕性能和抗氧化性能良好等特性，服役溫度達到650℃左右，大量應用于航空、航天、核電、石油等領域，同時GH4169高溫合金也具有良好的焊接和成形性能，廣泛應用于以激光、電子束和電弧等作為熱源的增材制造技術中[1–2]。傳統(tǒng)的GH4169高溫合金鑄造零件通常采用熔模精密鑄造的方法制備，將熔化的熔體澆注成最終的形狀[3]，而選區(qū)激光熔化是一種快速成形增材制造技術，該技術是基于離散材料逐層堆積成形的原理，依據(jù)計算機設計出的三維CAD模型，快速“打印”出產(chǎn)品原型或零部件，可制造出尺寸更精確、形狀更復雜的制品，無需機械加工或任何模具就可以快速地將數(shù)字模型變?yōu)閷嵨铮瑥亩s短產(chǎn)品的研制周期，提高生產(chǎn)和研發(fā)效率[4–5]。

GH4169高溫合金增材制造過程中，由于熔池極高的溫度梯度而引起的快速凝固反應使打印件在瞬時產(chǎn)生復雜的物理和化學變化，包括殘余應力、元素的微觀偏析和部分非平衡相的形成等[6]。目前文獻報道主要集中在成形件組織分析和工藝參數(shù)的優(yōu)化選擇，Tucho等[7]研究了打印態(tài)GH4169高溫合金的組織形貌和偏析行為，發(fā)現(xiàn)SLM晶體結(jié)構(gòu)不是樹枝狀，而是柱狀–胞狀結(jié)構(gòu)，亞晶粒邊界上分布有析出相和位錯網(wǎng)絡，認為位錯網(wǎng)絡的來源是激光掃描過程中反復加熱和急速冷卻所產(chǎn)生的內(nèi)應力；Li等[8]認為析出相δ對GH4169高溫合金的蠕變性質(zhì)和斷裂機制有重要影響，沿晶界析出的δ相對晶界有附著作用，可增強晶界，阻止晶界的滑動，從而在一定程度上改善合金的蠕變性質(zhì)；Aydin?z等[9]對選區(qū)激光熔化GH4169高溫合金進行熱處理后發(fā)現(xiàn)，Laves相被溶解，γ″相加速析出，且胞狀結(jié)構(gòu)在熱處理后外觀具有明顯的邊界特征。

從文獻報道來看，目前SLM打印GH4169合金的技術基本成熟，但粉末性能對制品的影響尤其是不同粒徑粉末制品的差異未見報道。事實上，粉末性能如粒度、形貌形態(tài)、氧含量等均會影響制品性能。因此選取兩種粒度差異明顯的GH4169粉末進行了SLM打印，并對比研究粉末粒度對樣品的力學性能、微觀組織影響規(guī)律，將有助于為GH4169高溫合金增材制造用粉末的選取提供依據(jù)，同時對不同應用要求的成形件采用合適性能的粉末具有一定的參考意義。

試驗方法

原料為霧化室自制GH4169高溫合金粉末，篩分得到粒度為（– 45+15）μm和（– 63+30）μm兩批粉末；采用iCAP 7000型等離子發(fā)射光譜儀進行元素分析，根據(jù)ISO–4490（2014）標準，采用BT–200型霍爾流速計測量粉末流動性和松裝密度。采用Renishaw AM400型選區(qū)激光熔化金屬增材制造系統(tǒng)打印成形，樣品尺寸為15mm×15mm×70mm；熱處理制度為均勻化（1080℃/1h/空冷）+雙時效（720℃/8h/爐冷，620℃/8h/空冷），將未熱處理的沉積態(tài)樣品作對比試驗。

對沉積態(tài)和熱處理態(tài)試樣取樣，取樣方向為沉積方向和激光掃描方向（垂直于沉積方向），用阿基米德排水法測試密度。在德國Leica DM 400型金相顯微鏡 （Opticalmicroscopy，OM）下觀察金相組織，在Quanta 250 FEG型場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）下觀察顯微組織和斷口形貌。兩組合金樣品加工成標準圓棒狀拉伸試樣（沿激光掃描方向），如圖1所示，標定距離25mm。室溫拉伸試驗在INSTRON 3369型電子萬能材料試驗機上進行，拉伸位移加載速率為1mm/min。

圖1 標準圓棒狀拉伸試樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of standard round bar tensile specimen

結(jié)果與討論

1 粉末表征

表1中所列為兩種粒度粉末元素分析結(jié)果，粒度細的粉末的氧含量要高于粒度粗的粉末，因粉末的氧含量主要存在于粉末的表面，細小的粉末比表面積大，是氧含量相對較高的原因。表2中所列為兩種粉末的流動性及松裝密度測試結(jié)果，可以看出粒度粗的粉末的流動性和松裝密度均高于粒度細的粉末。

表1 GH4169高溫合金粉末元素成分（質(zhì)量分數(shù)）Table 1 GH4169 high-temperature alloy powder composition elements (mass fraction) %

表2 GH4169高溫合金粉末物理性質(zhì)Table 2 Physical properties of GH4169 high-temperature alloy powder

圖2（a）和（b）所示為兩種粒度粉末的SEM形貌，形貌特征基本相同，粉末呈球形或近球形，較大粉末表面粘附有小粒徑的粉，形成衛(wèi)星粉結(jié)構(gòu)，還有少量呈棒狀和啞鈴狀的粉末；圖2（c）和（d）所示為粉末局部SEM圖，可以觀察到粉末表面顯微形貌為典型的樹枝晶組織，這與氣霧化過程中金屬熔滴的快速冷凝有關[10]。

圖3為 （– 45+15）μm和（– 63+30）μm粉末截面OM圖，兩種粉末中均存在一定比例的空心粉（如箭頭所示），而且粗粉的空心粉比例明顯要高一些。空心粉是氣霧化粉末存在的一個粉末缺陷，在氬氣霧化粉末中普遍存在，對增材制造制品的致密性產(chǎn)生一定的不利影響。

2 拉伸力學性能分析

表3中所列為GH4169高溫合金的密度及致密度。合金的理論密度為8.24g/cm3，沉積態(tài)樣品致密度分別為98.66%和99.02%，而且粗粉試樣致密度高于細粉，因粗粉具有更好的流動性和更高的松裝密度，SLM時鋪粉層獲得更高的密度，同時粗粉的粉末界面減少，這些因素均有利于粉末完全熔化和致密化的提高[11]。熱處理后樣品的密度進一步提高，達到99.39%左右，在熱處理時合金發(fā)生回復與再結(jié)晶，回復階段減少點缺陷數(shù)目，再結(jié)晶階段降低位錯密度[12]，導致密度提高。

表4為兩組樣品沉積態(tài)和熱處理態(tài)室溫拉伸測試結(jié)果，試樣拉伸強度均高于鑄件標準，選區(qū)激光熔化成形樣品相比于鑄造成形樣品具有更細密的亞結(jié)構(gòu)枝晶組織，沒有鑄件內(nèi)明顯的疏松缺陷；同時快速凝固減少晶界碳化物形成,減小裂紋萌生率[12]。

兩組拉伸試驗結(jié)果顯示同種樣品差別均較小，表現(xiàn)的規(guī)律也基本相同。沉積態(tài)不同粒度樣品屈服強度Rp0.2和抗拉強度Rm接近，且粗粒度粉末的斷后伸長率A明顯要高一些；經(jīng)過熱處理后屈服強度Rp0.2和抗拉強度Rm均得到了較大的提高，分別在1000MPa和1330MPa以上，而且細粒度粉末的拉伸強度要高于粗粒度粉末，斷后伸長率A均降低，但粗粒度粉末仍高于細粒度粉末。上述力學性能分析表明，粉末的粒度對SLM成形件的性能有一定的影響，粉末粒度細小時可以適當提高熱處理態(tài)的屈服強度Rp0.2和抗拉強度Rm，因熱處理后細粒度粉末樣品析出的強化相多沿晶界分布，拉伸過程中對位錯移動有更強的釘扎作用，位錯繞過需更強的拉應力；而粗粒度的粉末可以得到更高的斷后伸長率A，兩組粗粒度樣品沉積態(tài)、熱處理態(tài)伸長率A均值分別為22%和17.3%，略高于兩組細粒度樣品的17.9%和14.1%。粗粉沉積態(tài)樣品中的原始顆粒界面比細粉少，而且沉積件的密度也要高于細粉，有利于提高延伸率。

圖4所示為沉積態(tài)及熱處理態(tài)試樣拉伸斷口SEM圖，拉伸斷口均存在明顯的韌窩，韌窩大小不均勻且無方向性排列，韌窩間分布著亮白色帶狀的撕裂棱，發(fā)生了塑性變形，斷裂方式為韌性沿晶斷裂。沉積態(tài)斷口韌窩細小致密，熱處理態(tài)樣品韌窩尺寸變大，白色撕裂棱更明顯，大韌窩附近分布有小韌窩；對比兩種樣品的斷口，沉積態(tài)的樣品斷口特征一致，沒有明顯區(qū)別，粗粉熱處理態(tài)試樣斷口韌窩較細粉深，撕裂棱更明顯，也表明該試樣塑性更好一些，與其斷后伸長率更高的結(jié)果一致。

圖2 氣霧化GH4169高溫合金粉末的SEM圖Fig.2 SEM morphology of atomized GH4169 high-temperature alloy powder

圖3 GH4169高溫合金粉末截面OM圖Fig.3 OM morphology of atomized GH4169 powder

表3 GH4169高溫合金的密度及致密度Table 3 Density and densification of GH4169 high-temperature alloys

表4 GH4169高溫合金的室溫拉伸性能Table 4 Room temperature tensile properties of GH4169 alloy

圖4 GH4169高溫合金的拉伸斷口SEM形貌Fig.4 SEM morphology of tensile fracture of GH4169 alloy

3 沉積態(tài)組織分析

圖5是沉積態(tài)樣品不同方向腐蝕后的OM圖，其中圖5（a）和（b）為平行于沉積方向的熔池形貌，觀察到魚鱗狀的熔池及其邊界，有明顯方向性，為SLM成形件的基本特征[13]；同時均有不規(guī)則的熔池出現(xiàn)，且細粉沉積態(tài)不規(guī)則熔池多于粗粉，可能是細粉松裝密度和流動性均小于粗粉，對激光熱量的吸收存在差異導致熔池的完整性和與已成形層界面潤濕性不同，產(chǎn)生熔池形態(tài)完整性的差異。圖5（c）和（d）為垂直于沉積方向樣品OM圖，激光作用在此面上，可清晰觀察到激光掃描形成熔池的軌跡，掃描方式為層間呈67°掃描。粗粉沉積態(tài)軌跡相較細粉更規(guī)則且連續(xù)，也說明粗粉沉積態(tài)可以呈現(xiàn)出更多規(guī)則的熔池。

圖6為沉積態(tài)樣品不同方向的SEM圖，其中圖6（a）和（b）所示為沉積方向SEM圖，細長的柱狀枝晶沿沉積方向生長（如箭頭方向），粉末重熔后的冷凝階段，極高的溫度梯度沿著沉積方向形成，晶粒優(yōu)先沿該方向生長為柱狀晶[13]。圖6（a）中柱狀晶的生長貫穿多個熔池，說明柱狀晶生長在熔池間有連續(xù)性，熔池的凝固從熔池界面處開始，并繼承已凝固熔池的組織特征，表現(xiàn)出熔池間的組織遺傳特征。圖6（c）和（d）所示為垂直于沉積方向SEM圖，熔池內(nèi)部均是原生胞狀組織，為緊密分布的蜂窩胞狀形態(tài)，每個晶胞對應在沉積方向上的柱狀晶，與文獻[10]報道的SLM熔池凝固過程中晶粒的形核長大模式為胞狀–樹枝狀結(jié)合生長相一致。兩種胞狀組織形態(tài)稍有不同，粗粉試樣胞狀組織的均勻性不如細粉，可能與粉末粒度影響熔池的凝固溫度有關。綜上，粉末粒度對沉積態(tài)微觀組織影響不大。

4 熱處理態(tài)組織分析

圖7為SLM試樣熱處理態(tài)不同方向腐蝕后的OM圖，可見樣品經(jīng)熱處理后，兩個方向的組織均轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶。經(jīng)過熱處理，SLM過程中產(chǎn)生的殘余熱應力被釋放，同時發(fā)生再結(jié)晶，熔池形態(tài)消失形成新的等軸晶，晶界清晰可見，改善沉積態(tài)的各向異性[14]。圖8為熱處理態(tài)的SEM圖，可見均存在沿晶界分布的析出相，尺寸在0.5～2μm之間。圖9為圖8（b）面掃結(jié)果，表明該相富含Nb元素，與GH4169高溫合金中的δ相（Ni3Nb）的高鈮含量一致，δ相沿晶界析出，與文獻[15]的結(jié)果一致；再結(jié)晶導致的晶粒明顯細化，伴隨著強化相γ″和γ′相從基體中充分析出，極大改善沉積態(tài)的力學性能，這是熱處理態(tài)屈服強度Rp0.2和抗拉強度Rm提高的主要原因。

結(jié)論

（1）粗粉末沉積態(tài)樣品密度比細粉末的大，粗粉流動性和松裝密度均高于細粉，這有利于沉積態(tài)密度的提高。細粉可適當提高熱處理態(tài)試樣的屈服強度Rp0.2和抗拉強度Rm，粗粉可以得到更高的斷后伸長率A。

（2）沉積態(tài)試樣均呈現(xiàn)魚鱗狀的熔池形態(tài)，細粉試樣中不規(guī)則熔池多于粗粉試樣；熔池的凝固從熔池界面處開始，并繼承已凝固熔池的組織特征，呈現(xiàn)組織遺傳現(xiàn)象；熔池凝固過程中晶粒的形核長大模式為胞狀–樹枝狀結(jié)合生長，粒度對試樣的組織結(jié)構(gòu)無明顯的影響。

（3）熱處理態(tài)的組織均變成等軸晶，降低沉積態(tài)的組織缺陷，析出強化相，是屈服強度Rp0.2和抗拉強度Rm提高的原因。

圖5 GH4169高溫合金沉積態(tài)不同方向樣品的OM形貌Fig.5 OM morphology of as-deposited samples of GH4169 alloy in different directions

圖6 GH4169高溫合金沉積態(tài)不同方向樣品的SEM形貌Fig.6 SEM morphology of as-deposited samples of GH4169 alloy in different directions

圖7 GH4169高溫合金熱處理態(tài)不同方向樣品的OM形貌Fig.7 OM morphology of heat-treated samples of GH4169 alloy in different directions

圖8 GH4169高溫合金熱處理態(tài)組織SEM圖Fig.8 SEM morphology of heat-treated samples of GH4169 high-temperature alloy

圖9 圖8（b）所示區(qū)域面掃分析結(jié)果Fig.9 Results of area scanning analysis shown in Fig.8(b)