Metall. Mater. Trans. A: IN-738LC超合金激光立體成形過程中熱影響區的液化裂紋形成機理

【引言】

IN-738LC是一種彌散強化的鎳基超合金，通過γ基體上析出的γ’相產生強化。由于其優異的高溫蠕變性能和高溫耐蝕性，在汽輪機等高溫領域得到了廣泛應用。激光立體成形技術是一種激光增材制造技術，可以不受澆注模和尺寸限制，性能優異。但激光立體成形是通過一種層層疊加過程，先熔敷的金屬會受到后熔敷的金屬的加熱，先熔敷的金屬相當于熱影響區，在隨后的熔敷過程中，容易產生裂紋。因此，找到裂紋形成機理成為關鍵。但目前關于該裂紋的形成機理存在分歧。

【成果簡介】

近日，西北工業大學的林鑫教授、楊海歐助理研究員以及萊斯特大學的HongBiao Dong（共同通訊作者）在Metallurgical and Materials Transactions A發表了最新的研究成果“HAZ Liquation Cracking Mechanism of IN-738LC Superalloy Prepared by Laser Solid Forming”。在該文中，研究人員通過對沉積態IN-738LC合金進行激光重熔，研究激光立體成形過程中高（Al+Ti）的鎳基超合金的熱影響區液化裂紋形成機理。

【圖文導讀】

圖1 低熔點共晶組分液化和直接液化的原理示意圖

圖2 用于激光重熔以及快速加熱模擬的試樣示意圖

圖3 計算得到的IN-738LC合金的凝固順序

（a）Thermo-Calc軟件計算得到的IN-738LC合金的平衡相和質量分數

（b）用Scheil模型計算得到的凝固順序

圖4 IN-738LC合金沉積態的顯微組織

（a）低倍SEM顯微組織

（b）高倍SEM顯微組織

（c）塊狀碳化物MC的TEM圖

（d）SADP圖

圖5 IN-738LC合金激光重熔試樣橫截面的光鏡圖

（a）低倍顯微組織

（b）高倍顯微組織

（c）高倍顯微組織

圖6 IN-738LC合金激光重熔試樣熱影響區（靠近重熔區）的SEM圖

（a）低倍顯微組織

（b）高倍顯微組織

（c）高倍顯微組織

圖7 IN-738LC合金激光重熔試樣熱影響區（靠近重熔區）的SEM圖

（a）液態γ-γ’共晶
（b）產生裂紋的晶粒邊界

圖8 模擬得到的熱影響區顯微組織

（a）γ-γ’共晶

（b）拉伸液態膜

圖9 IN-738LC合金激光立體成形試樣裂紋附近的EMPA分析

圖10 計算得到的IN-738LC合金枝晶元素濃度分布

（a）GK模型計算得到的Ti，Nb，Ta元素分布

（b）Scheil模型計算得到的Ti，Nb，Ta元素分布

（c）分離的γ-γ’共晶的SEM圖

圖11 激光重熔過程中溫度變化

（a）激光重熔位置示意圖

（b）點a和b處的溫度變化曲線

圖12 連續加熱時界面溶解對液相溫度的影響

圖13 γ和γ’的TEM圖

（a）γ基體和γ’析出相的暗場TEM圖

（b）SADP分析

（c）高分辨率的γ/γ’的TEM圖

（d）圖（c）中d區域的放大圖

（e）圖（c）中e區域的放大圖

圖14 M3B2和MC碳化物的TEM圖和SADP分析

（a）TEM圖（M3B2在MC碳化物附近）

（b）沿[-1-32]得到的M3B2和沿[112]得到的MC的SADP分析

（c）M3B2的TEM圖

（d）沿晶粒邊界的[112]晶帶軸得到的SADP分析

圖15 不同含量的B的IN-738LC合金的平衡相圖和凝固順序

（a）Thermo-Calc計算得到的平衡相圖

（b）利用Scheil模型得到的凝固順序圖

圖16 IN-738LC合金激光立體成形試樣力學性能及熱影響區晶粒邊界液態裂紋形成機理

（a）IN-738LC合金激光立體成形試樣的應力-應變曲線及擬合曲線

（b）顯微硬度測量位置示意圖

（c）顯微硬度及殘余應力分布

（d）熱影響區晶粒邊界液態裂紋形成機理

【小結】

本文的主要結論如下：

熱影響區的顯微組織分析結果表明裂紋沿晶粒邊界從熱影響區擴展到重熔區。晶粒邊界液化區液化薄膜的形成主要是由于晶粒邊界呈半連續分布的γ-γ’共晶的局部熔化。熔池凝固的最后階段，殘余液態中γ-γ’共晶形成元素的富集是半連續分布的γ-γ’共晶形成的主要原因。IN-738LC合金激光立體成形試樣的晶粒存在B的富集，使得晶粒邊界液化溫度降低，并且由于液化薄膜的存在使得晶粒邊界的潤濕性提高。熱影響的殘余應力分布不均，這是熱影響區液化裂紋形成的主要驅動力。

文獻鏈接：HAZ Liquation Cracking Mechanism of IN-738LC Superalloy Prepared by Laser Solid Forming（Metallurgical and Materials Transactions A，2018，doi.org/10.1007/s11661-018-4826-6）

本文由材料人編輯部金屬組 楊樹 供稿，材料牛編輯整理。

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