西北工業大學Mater. Sci. Eng. A: 工藝參數和熱處理對Inconel 718高溫合金激光金屬沉積組織和動態力學行為的影響

渡口 5年前 (2018-03-02) 4366瀏覽

【引言】

鎳基高溫合金Inconel 718具有強度高、抗氧化、防輻射以及可焊性好和組織穩定性等諸多優異性能，廣泛應用于燃氣輪機，航空發動機，核反應堆和其它高溫領域中。同時，由于其自身加工自硬化嚴重，因此利用傳統的機械加工方法容易引起刀具磨損嚴重，材料耐熱性和表面完整性差等。

激光加工過程中的快速加熱和快速凝固特征使得所制造出來的金屬零件具有定向生長的微觀組織和優良的性能，在航天器件、飛機發動機葉片及武器零件的制備上具有廣闊的應用前景；采用同軸送粉，可以在零件的不同部位根據性能要求沉積不同組分的成形材料，從而實現零件的結構設計、重量、強度以及材料使用的最優化；同時也可以用激光金屬沉積成形技術來制備功能梯度材料等復合材料，它們在電子、航天等領域應用廣泛。

【成果簡介】

近日，西北工業大學郭偉國(通訊作者)等人在期刊Mater. Sci. Eng. A上發表了最新研究的且題目為“Influence of Process Parameters and Heat Treatments on the Microstructures and Dynamic Mechanical Behaviors of Inconel 718 Superalloy Manufactured by Laser Metal Deposition”的文章。為了利用激光金屬沉積（LMD）技術制備用于航空發動機的高性能鎳基高溫合金，通過LMD技術采用三組不同工藝參數制備Inconel 718合金，并通過兩種不同熱處理制度對其進行熱處理。然后通過寬應變率和溫度范圍的壓縮試驗評估工藝參數和熱處理對其微觀結構和動態力學性能的影響，并使用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察樣品的初始微觀結構和破壞特征。

【圖文導讀】

圖1. 激光金屬沉積工藝示意圖

圖2. 不同試樣顯微組織

（a）沉積試樣1顯微組織

（b）沉積試樣2顯微組織

（c）沉積試樣3顯微組織

（d）試樣中初始缺陷的顯微組織

圖3. （a）直接時效處理和（b）標準熱處理后試樣顯微組織

圖4.?不同應變率下流動應力隨溫度的變化規律

圖5.?激光沉積Inconel 718在（a）X方向和（b）Z方向壓縮后的剖面圖和斷裂行為

 

圖6.?激光沉積Inconel 718在Z方向上動態壓縮后的斷裂行為

圖7.?應變率為5300/s，溫度為298K時 激光沉積Inconel 718合金在Z方向壓縮后的斷口形貌

（a）和（b）沉積態Inconel 718合金的斷口形貌

（c）和（d）直接時效態Inconel 718合金的斷口形貌

（e）和（f）標準熱處理態Inconal 718合金的斷口形貌

【小結】

本文通過激光金屬沉積（LMD）技術采用不同的工藝參數和熱處理制度，制備應用于航空發動機的鎳基高溫合金Inconel 718。通過對各組激光沉積Inconel 718試樣進行不同應變率（0.001 - 5300 / s）和溫度（273-1193K）下的壓縮實驗，以評估工藝參數和熱處理方法對其微觀結構和動態力學性能的影響。同時利用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察試樣的初始微觀結構和破壞特征。研究結果發現在激光增材制造過程中，較高的能量輸入密度導致一次枝晶間距變寬。隨著一次枝晶間距的增加，合金的塑性流動應力近似線性下降。激光沉積Inconel 718合金的塑性流動應力隨著溫度的升高出現了反常應力峰現象，這是第三型應變時效現象的典型特征。

最后，通過觀察壓縮破壞特性，發現裂紋的傳播路徑依賴于壓縮加載方向。壓縮斷口形貌可以反映熱處理對試樣塑性的影響。此外，在激光沉積過程中產生的初始缺陷（氣孔和縮松孔隙等）可能導致動態裂紋的萌生，偏轉和分支。

文獻鏈接：Influence of Process Parameters and Heat Treatments on the Microstructures and Dynamic Mechanical Behaviors of Inconel 718 Superalloy Manufactured by Laser Metal Deposition （Mater. Sci. Eng. A，2018，DOI：10.1016/j.msea.2018.02.014）

【團隊介紹】
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郭偉國教授（西北工業大學航空學院教授、博士生導師）團隊長期從事各類新型材料的本構關系和動態破壞與失效、及相關動態試驗技術的研究。課題組近三年在包括IJP等在內的重要學術期刊累計發表SCI論文二十余篇。作為主持的國家自然科學基金面上項目之一，課題組對利用激光沉積技術制備的發動機典型合金（鈦合金、鎳基高溫合金等）在高溫高應變率的極端環境下的動態力學行為進行了系統研究。相關部分成果如下：
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[1]Li P H, Guo W G*, Huang W D, et al. Thermomechanical response of 3D laser-deposited Ti–6Al–4V alloy over a wide range of strain rates and temperatures[J]. Materials Science and Engineering: A, 2015, 647: 34-42.
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[2] Zhou, P., Guo, W. G., Su, Y., Wang, J., Lin, X., & Huang, W. (2017). Microstructure and Mechanical Properties of Laser Solid Formed Ti-6Al-4V Alloy Under Dynamic Shear Loading.Journal of Materials Engineering and Performance, 26(7),3121-3132.
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[3]Yuan, K., Guo, W., Li, P., Wang, J., Su, Y., Lin, X., & Li, Y. (2018). Influence of Process Parameters and Heat Treatments on the Microstructures and Dynamic Mechanical Behaviors of Inconel 718 Superalloy Manufactured by Laser Metal Deposition. Materials Science and Engineering: A.
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本文由材料人編輯部渡口編譯，材料牛整理編輯。

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