高鋁鈦鎳基高溫合金因?yàn)榫哂泻軓?qiáng)的高溫強(qiáng)度、抗氧化性以及抗熱腐蝕性，所以它是航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、渦輪盤這些關(guān)鍵熱端部件的最佳選擇。激光增材制造技術(shù)有著制造周期短、材料利用率高、能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的近凈成形等優(yōu)點(diǎn)，它給高鋁鈦鎳基高溫合金構(gòu)件的制造打開了新的道路。但是這種合金在激光增材制造的時(shí)候，由于快速凝固、局部熱循環(huán)很劇烈等情況，很容易產(chǎn)生裂紋，使得構(gòu)件的性能變差甚至報(bào)廢，裂紋成了限制高鋁鈦鎳基高溫合金激光增材制造技術(shù)廣泛應(yīng)用的主要障礙。當(dāng)下，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)激光增材制造裂紋問(wèn)題做了很多研究，但是就高鋁鈦鎳基高溫合金而言，系統(tǒng)性的裂紋抑制研究還是比較少的。本文希望深入探究高鋁鈦鎳基高溫合金激光增材制造的裂紋形成機(jī)理，通過(guò)改良工藝參數(shù)，改善材料體系和后處理工藝等措施，給出有效的裂紋抑制策略，從而為推進(jìn)這種合金在先進(jìn)制造領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論和實(shí)際方面的支撐。
1、高鋁鈦鎳基高溫合金激光增材制造裂紋形成機(jī)理
1.1熱應(yīng)力作用
激光增材制造過(guò)程中，高鋁鈦鎳基高溫合金材料會(huì)經(jīng)歷極為快速的加熱和冷卻過(guò)程，這樣非平衡態(tài)的熱循環(huán)使得材料局部區(qū)域具有很大的溫度梯度，依據(jù)熱應(yīng)力理論可知，溫度梯度會(huì)導(dǎo)致材料各個(gè)部位熱脹冷縮的不均勻性，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)這種熱應(yīng)力超出材料在對(duì)應(yīng)溫度下的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂紋，為了進(jìn)一步探究熱應(yīng)力對(duì)于裂紋產(chǎn)生的影響，本文運(yùn)用有限元模擬方法，針對(duì)不同工藝參數(shù)條件下構(gòu)件內(nèi)部的熱應(yīng)力分布進(jìn)行了研究，就拿激光功率2000W、掃描速度10mm/s的工藝條件來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)模擬得到，構(gòu)件內(nèi)部的最大熱應(yīng)力能夠達(dá)到500MPa。但是高鋁鈦鎳基高溫合金的室溫抗拉強(qiáng)度在800MPa左右，當(dāng)材料處于高溫狀態(tài)時(shí)，其抗拉強(qiáng)度將會(huì)大幅度下降，此時(shí)熱應(yīng)力所占比例高達(dá)62.5%，很容易超過(guò)材料在高溫下的強(qiáng)度極限，從而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生 [1]。
1.2凝固結(jié)晶特性
高鋁鈦鎳基高溫合金在凝固過(guò)程中，由于溶質(zhì)元素的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)慢于晶體生長(zhǎng)速度，會(huì)導(dǎo)致合金中的溶質(zhì)元素在固液界面前沿偏析而發(fā)生偏析，導(dǎo)致凝固區(qū)間增大，形成了一個(gè)成分過(guò)冷區(qū)。在成分過(guò)冷作用下使樹枝晶生長(zhǎng)的速度加快，在晶粒界面上富集了大量的低熔點(diǎn)共晶相，會(huì)使晶界上的結(jié)合力下降，使晶界成了裂紋擴(kuò)展的薄弱部位。對(duì)凝固結(jié)晶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究,當(dāng)合金含鋁含量為8%,鈦含量為6%時(shí),使用DSC來(lái)測(cè)定其凝固區(qū)間與普通的成分合金相比增加了20℃~30℃。再者是利用電子探針顯微分析(EPMA)對(duì)晶界處的成分進(jìn)行檢測(cè),發(fā)現(xiàn)晶界處低熔點(diǎn)相含量增加15%~20%。在拉伸實(shí)驗(yàn)中，這些晶界區(qū)域最先發(fā)生開裂，裂紋沿著晶界迅速擴(kuò)展，使得材料性能急劇下降。
1.3合金元素影響
合金中的鋁、鈦等活性元素含量對(duì)高鋁鈦鎳基高溫合金有較大的影響。當(dāng)鈦等活性元素含量過(guò)多時(shí)，會(huì)使合金產(chǎn)生較大的脆性，鋁元素在合金中可以形成大量的Ni3Al等金屬化合物，在一定程度提高了合金的高溫強(qiáng)度，但也會(huì)降低合金的塑性。鈦元素能夠使合金的晶粒變得非常細(xì)，能夠在一定程度上提高合金的強(qiáng)度和韌性，但是若鈦元素過(guò)多，則會(huì)在組織中析出大量的顆粒狀物，并且降低了材料的韌性。在多個(gè)合金元素梯度的試驗(yàn)中，研究了合金元素的裂紋敏感性，得出結(jié)果為當(dāng)鋁元素大于7%的時(shí)候，合金的延展率將會(huì)從12%急劇下降到5%，脆性顯著增大，裂紋的敏感程度也大幅度升高。鈦含量過(guò)高時(shí)，合金冷卻后會(huì)析出TiC之類粗大硬質(zhì)相，在它們周圍產(chǎn)生明顯應(yīng)力積聚區(qū)，成為裂紋起源點(diǎn)。另外鉻、鈷之類元素含量低，但同樣對(duì)合金相變過(guò)程，固溶強(qiáng)化效果，抗氧化性等等有間接影響，進(jìn)而牽涉到裂紋生成擴(kuò)展的情況也存在 [2]。
2、工藝參數(shù)對(duì)裂紋形成的影響
2.1激光功率
為了研究激光功率對(duì)裂紋形成的影響，開展一系列不同激光功率下的實(shí)驗(yàn)。將激光功率設(shè)置為1600W、1800W、2000W、2200W，掃描速度設(shè)為10mm/s，送粉速率為8g/min，試樣尺寸及材料成分相同的情況下開展激光增材制造實(shí)驗(yàn)。在制造過(guò)程中，對(duì)試樣進(jìn)行編號(hào)，記錄試樣制造過(guò)程中各工藝參數(shù)和實(shí)時(shí)溫度的變化情況，制造完成后采用X射線探傷等無(wú)損檢測(cè)手段對(duì)試樣進(jìn)行裂紋檢測(cè)，統(tǒng)計(jì)裂紋數(shù)量、長(zhǎng)度等并計(jì)算裂紋率。
由圖中可清楚地看到，當(dāng)激光的功率上升時(shí)，裂紋率也在上升，激光功率為1600W的時(shí)期裂紋率是8%，當(dāng)功率增加至2200W時(shí)，其裂紋率上升到了22%，因?yàn)榧す獾墓β噬仙耍敲此斎氲哪芰烤驮黾恿耍@也會(huì)讓熔池的溫度升得更高些，冷卻的速率就會(huì)加速很多，這樣迅速地冷卻就會(huì)讓材料內(nèi)部產(chǎn)生的熱應(yīng)力迅速擴(kuò)大，在熱應(yīng)力超過(guò)材料強(qiáng)度極限的時(shí)候，裂紋就會(huì)產(chǎn)生出來(lái)。而且激光的功率加大時(shí)，還會(huì)讓熔池的流動(dòng)性變得強(qiáng)些，有可能會(huì)造成熔池的飛濺或者塌陷之類的毛病出現(xiàn)，從而也增添了裂紋產(chǎn)生的機(jī)會(huì)
2.2掃描速度
在激光功率為2000W、送粉速率為8g/min的條件下,將掃描速度分別設(shè)為8mm/s、10mm/s、12mm/s、14mm/s進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)每個(gè)試樣進(jìn)行檢測(cè)并記錄。
根據(jù)圖表中的數(shù)據(jù)可以看出隨著掃描的速度的逐步提升裂紋率也逐步的下降，具體體現(xiàn)在掃描速度每秒8毫米的時(shí)候，裂紋率為18%，而在掃描速度增加到每秒14毫米的時(shí)候裂紋率卻下降到只有6%。因?yàn)閽呙璧乃俣茸兛欤瑔挝粫r(shí)間內(nèi)的能量輸入減少，使得熔池吸收的熱量總量降低，因此熔池的冷卻過(guò)程也就相對(duì)緩慢，有利于降低內(nèi)部熱應(yīng)力。熱應(yīng)力減小有效遏制了裂紋的形成，再分析可知，掃描速度較高時(shí)，熔池的形狀會(huì)變得更細(xì)長(zhǎng)一些，這樣的熔池形狀有助于熔池內(nèi)部氣體的逸出、氣孔等缺陷的數(shù)量隨之減少。氣孔等缺陷的減少在某種程度上減少了裂紋出現(xiàn)的概率，也提升了材料的整體質(zhì)量。所以通過(guò)調(diào)節(jié)掃描速度，在一定程度上可以控制裂紋的形成，進(jìn)而改善材料的加工流程及其最終產(chǎn)品。
2.3送粉速率
固定激光功率為2000W，掃描速度為10mm/s，送粉速率分別設(shè)為6g/min、8g/min、10g/min、12g/min進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，隨著送粉速率的逐漸增加，裂紋率也呈現(xiàn)出了上升的趨勢(shì)。當(dāng)送粉速率為6g/min的時(shí)候，裂紋率是10%，而當(dāng)送粉速率提高到12g/min時(shí)，裂紋率就上升到了18%。造成這種情況的原因是，一方面，送粉速率過(guò)快會(huì)導(dǎo)致熔池的穩(wěn)定性被破壞，導(dǎo)致粉末顆粒沒(méi)有被完全熔化，形成未融合缺陷。未熔合缺陷的存在，會(huì)使構(gòu)件的力學(xué)性能顯著下降，在缺陷周圍會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)而使得熱應(yīng)力增加，裂紋就會(huì)更容易出現(xiàn)并且蔓延。另一方面，如果送粉速率過(guò)慢，熔池的體積會(huì)變得過(guò)小，不能形成連續(xù)的堆積層，這樣也會(huì)對(duì)構(gòu)件的成型質(zhì)量產(chǎn)生影響。所以，要保證構(gòu)件的質(zhì)量，就必須選取恰當(dāng)?shù)乃头鬯俾蔥5]。
3、裂紋抑制策略
3.1工藝參數(shù)優(yōu)化
綜上所述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為了得到最合適的工藝參數(shù)組合，我們采用了正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，對(duì)激光功率、掃描速度、送粉速率這三個(gè)因素進(jìn)行了優(yōu)化，我們以裂紋率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了三因素四水平的正交試驗(yàn)方案，總共進(jìn)行了16組實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，我們控制了其他因素的一致性，比如材料成分、預(yù)熱溫度、環(huán)境溫度等，以此來(lái)保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度，每組實(shí)驗(yàn)都是做了三次，然后取這三次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值作為這組實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果,這樣做的目的是提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的方差分析，得出每個(gè)因素對(duì)于裂紋率的影響程度。分析結(jié)果表明，激光功率對(duì)于裂紋率的影響最大，其次是掃描速度，送粉速率的影響最小。經(jīng)過(guò)多輪實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析之后，最終找到了最佳的工藝參數(shù)組合，那就是激光功率設(shè)為1800W，掃描速度設(shè)為12mm/s，送粉速率設(shè)為8g/min，這樣的一組最佳工藝參數(shù)組合之下，裂紋率能夠被降低到8%，相比于最初的工藝參數(shù)，裂紋率足足下降了50%之多。為了驗(yàn)證優(yōu)化之后的工藝參數(shù)穩(wěn)定性和可靠性，還做了重復(fù)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，在這個(gè)最佳工藝參數(shù)下制造出來(lái)的試樣，它的裂紋率波動(dòng)比較小，表現(xiàn)出不錯(cuò)的穩(wěn)定性，這就表示利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法得出的最佳工藝參數(shù)組合不但大幅削減了裂紋率，而且具備很強(qiáng)的重復(fù)性和可靠性，給實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用給予了有力的技術(shù)支撐。
3.2
在合金中添加適量的鈮、鉬等元素能夠細(xì)化晶粒，改善晶界結(jié)構(gòu)，提升合金的塑性和韌性，利用粉末冶金法制作出不同出不同鈮、鉬含量的高鋁鈦鎳基高溫合金粉末，之后用激光增材制造技術(shù)來(lái)制作試樣。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)添加1.5%的鈮和2%的鉬時(shí)，利用金相顯微鏡觀察到，合金的晶粒尺寸明顯變小，平均晶粒尺寸由原來(lái)的50μm減小到20μm左右。而且，經(jīng)過(guò)拉伸試驗(yàn)檢測(cè)，合金的延伸率從5%上升到8%，裂紋敏感性明顯下降，這是由于鈮、鉬等元素在合金凝固過(guò)程中會(huì)成為異質(zhì)形核核心，促使晶粒形核，進(jìn)而細(xì)化晶粒。細(xì)化的晶粒可以增大晶界面積，晶界對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻礙作用變強(qiáng)，這樣就提高了合金的抗裂紋能力。而且調(diào)整鋁、鈦元素的比例也對(duì)抑制裂紋有很大影響，把鋁含量控制在6%~7%，把鈦含量控制在5%~6%。經(jīng)過(guò)DSC測(cè)試以后，可以縮減凝固區(qū)間，削減晶界處低熔點(diǎn)相的含量。用掃描電鏡(SEM)對(duì)晶界處的微觀構(gòu)造展開觀察，結(jié)果顯示，改良過(guò)的合金在晶界處低熔點(diǎn)相的含量削減了大約30%，晶界的結(jié)合強(qiáng)度明顯改善，有效地阻止了裂紋的產(chǎn)生。
3.3后處理工藝改進(jìn)
3.3.1熱處理
用固溶時(shí)效處理工藝把經(jīng)增材制造后的構(gòu)件加熱到1050℃，保溫兩小時(shí)后再用水淬火，之后放到850℃做時(shí)效處理，保溫四個(gè)小時(shí)以后空冷。在執(zhí)行固溶處理的時(shí)候，合金里面的第二相會(huì)完全溶進(jìn)基體里面，這樣就形成了均勻的固溶體，成分偏析的問(wèn)題也被消除掉。水淬這個(gè)步驟會(huì)讓溶質(zhì)迅速冷卻，從而使得固溶體處在過(guò)飽和狀態(tài)。經(jīng)過(guò)時(shí)效處理以后，這種過(guò)飽和的固溶體就會(huì)從中析出很多細(xì)小而且分散的第二相，這些第二相能起到一種彌散強(qiáng)化的作用，進(jìn)而提升材料的強(qiáng)度和硬度。接著用X射線應(yīng)力分析儀對(duì)熱處理前后的構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，經(jīng)過(guò)熱處理后，構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力降低60%，然后用疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，裂紋擴(kuò)展速率下降40%，因?yàn)闊崽幚砜梢韵龢?gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力，減少應(yīng)力集中，同時(shí)使組織均勻化，提高材料性能，抑制裂紋擴(kuò)展。
3.3.2超聲沖擊處理
采用超聲沖擊設(shè)備對(duì)構(gòu)件表面進(jìn)行處理,頻率為20kHz,沖擊時(shí)間10min。超聲沖擊處理時(shí),高速運(yùn)動(dòng)的沖擊針?lè)磸?fù)撞擊構(gòu)件表面,使表面材料發(fā)生塑性變形,在構(gòu)件表面形成壓應(yīng)力，以抵消殘余拉應(yīng)力。同時(shí)超聲沖擊還可以細(xì)化表層晶粒，改善表面質(zhì)量。采用X射線衍射殘余應(yīng)力測(cè)試技術(shù)對(duì)超聲沖擊處理前后構(gòu)件表面殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明超聲沖擊處理后，構(gòu)件表面殘余壓應(yīng)力為300MPa。用掃描電鏡來(lái)觀察處理前后表面的微觀結(jié)構(gòu)，超聲沖擊處理過(guò)后，表層的晶粒明顯變細(xì)，平均晶粒尺寸由原來(lái)的10μm縮減到3μm左右，經(jīng)過(guò)疲勞試驗(yàn)再次證實(shí)，超聲沖擊處理之后，構(gòu)件的疲勞壽命增長(zhǎng)了30%，有效地遏制了裂紋的出現(xiàn)和發(fā)展。
4、裂紋抑制效果驗(yàn)證
采用優(yōu)化后的工藝參數(shù)、改變后的材料成分及后處理工藝，制備高鋁鈦鎳基高溫合金試樣，與原工藝制備的試樣進(jìn)行對(duì)比，采用多種檢測(cè)手段對(duì)試樣進(jìn)行檢測(cè)，驗(yàn)證裂紋抑制效果。使用金相顯微鏡對(duì)試樣的微觀組織進(jìn)行觀察，放大倍數(shù)為500倍。觀察到原始試樣的晶粒比較粗大，在晶界處有大量的低熔點(diǎn)共晶相;優(yōu)化后的試樣晶粒更細(xì)小均勻，在晶界處低熔點(diǎn)共晶相的含量明顯減少。再用圖像分析軟件對(duì)晶粒尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，原始試樣的平均晶粒尺寸為50μm，優(yōu)化后試樣的平均晶粒尺寸降低到20μm左右。用X射線衍射儀去分析殘余應(yīng)力，由其檢測(cè)得知，原始試樣的殘余應(yīng)力達(dá)到了400MPa之高，而經(jīng)優(yōu)化后的試樣殘余應(yīng)力則降至了150MPa之下，由于優(yōu)化以后試樣的殘余應(yīng)力有著大幅度的下降，這使得其內(nèi)部應(yīng)力集中的現(xiàn)象得以緩解，裂紋產(chǎn)生的概率也由此有所降低。然后使用掃描電子顯微鏡來(lái)觀測(cè)裂紋形態(tài)，加速電壓設(shè)為了20kV，由觀察可知，原始試樣的裂紋呈現(xiàn)出穿晶與沿晶相結(jié)合的特點(diǎn)，且裂紋寬度比較大，并且它的裂紋表面比較粗糙。相反地，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的試樣的裂紋擴(kuò)展得到了明顯的抑制，其裂紋長(zhǎng)度與寬度都被顯著縮減，裂紋表面相對(duì)而言較為平滑些。綜合各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果可以看出，通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)、調(diào)整材料成分、改善后處理工藝，大幅度提升了高鋁鈦鎳基高溫合金激光增材制造構(gòu)件的質(zhì)量，抑制了裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展。
5、結(jié)語(yǔ)
本文詳細(xì)探究了高鋁鈦鎳基高溫合金激光增材制造出現(xiàn)裂紋的成因，通過(guò)剖析工藝參數(shù)，材料成分以及后續(xù)加工工藝對(duì)裂紋形成的影響，給出切實(shí)可行的裂紋抑制策略，試驗(yàn)結(jié)果顯示，改良工藝參數(shù)，改變材料成分，改善后續(xù)加工工藝，可有效地減小裂紋率，提升構(gòu)件品質(zhì)，不過(guò)，高鋁鈦鎳基高溫合金激光增材制造中裂紋抑制仍然是一項(xiàng)較為繁雜的工程，以后還需不斷加強(qiáng)對(duì)合金成分和工藝參數(shù)的協(xié)同作用機(jī)理的研究，探尋新的后處理方法，從而做到更高的品質(zhì)的構(gòu)件制造，促使高鋁鈦鎳基高溫合金激光增材制造技術(shù)在航空航天等范疇得到更為廣泛的運(yùn)用。
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（注，原文標(biāo)題：高鋁鈦鎳基高溫合金激光增材制造裂紋抑制研究）
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