高鋁鈦鎳基高溫合金因為具有很強的高溫強度、抗氧化性以及抗熱腐蝕性，所以它是航空發(fā)動機葉片、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，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，國內(nèi)外學(xué)者針對激光增材制造裂紋問題做了很多研究，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理，通過改良工藝參數(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，從而為推進這種合金在先進制造領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論和實際方面的支撐。
1、高鋁鈦鎳基高溫合金激光增材制造裂紋形成機理
1.1熱應(yīng)力作用
激光增材制造過程中，高鋁鈦鎳基高溫合金材料會經(jīng)歷極為快速的加熱和冷卻過程，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，溫度梯度會導(dǎo)致材料各個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)力超出材料在對應(yīng)溫度下的抗拉強度時，就會產(chǎn)生裂紋，為了進一步探究熱應(yīng)力對于裂紋產(chǎn)生的影響，本文運用有限元模擬方法，針對不同工藝參數(shù)條件下構(gòu)件內(nèi)部的熱應(yīng)力分布進行了研究，就拿激光功率2000W、掃描速度10mm/s的工藝條件來說，經(jīng)過模擬得到，構(gòu)件內(nèi)部的最大熱應(yīng)力能夠達到500MPa。但是高鋁鈦鎳基高溫合金的室溫抗拉強度在800MPa左右，當(dāng)材料處于高溫狀態(tài)時，其抗拉強度將會大幅度下降，此時熱應(yīng)力所占比例高達62.5%，很容易超過材料在高溫下的強度極限，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程中，由于溶質(zhì)元素的擴散速度遠慢于晶體生長速度，會導(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，形成了一個成分過冷區(qū)。在成分過冷作用下使樹枝晶生長的速度加快，在晶粒界面上富集了大量的低熔點共晶相，會使晶界上的結(jié)合力下降，使晶界成了裂紋擴展的薄弱部位。對凝固結(jié)晶進行實驗探究,當(dāng)合金含鋁含量為8%,鈦含量為6%時,使用DSC來測定其凝固區(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)對晶界處的成分進行檢測,發(fā)現(xiàn)晶界處低熔點相含量增加15%~20%。在拉伸實驗中，這些晶界區(qū)域最先發(fā)生開裂，裂紋沿著晶界迅速擴展，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多時，會使合金產(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度，但也會降低合金的塑性。鈦元素能夠使合金的晶粒變得非常細，能夠在一定程度上提高合金的強度和韌性，但是若鈦元素過多，則會在組織中析出大量的顆粒狀物，并且降低了材料的韌性。在多個合金元素梯度的試驗中，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%的時候，合金的延展率將會從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。鈦含量過高時，合金冷卻后會析出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。另外鉻、鈷之類元素含量低，但同樣對合金相變過程，固溶強化效果，抗氧化性等等有間接影響，進而牽涉到裂紋生成擴展的情況也存在 [2]。
2、工藝參數(shù)對裂紋形成的影響
2.1激光功率
為了研究激光功率對裂紋形成的影響，開展一系列不同激光功率下的實驗。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驗。在制造過程中，對試樣進行編號，記錄試樣制造過程中各工藝參數(shù)和實時溫度的變化情況，制造完成后采用X射線探傷等無損檢測手段對試樣進行裂紋檢測，統(tǒng)計裂紋數(shù)量、長度等并計算裂紋率。
由圖中可清楚地看到，當(dāng)激光的功率上升時，裂紋率也在上升，激光功率為1600W的時期裂紋率是8%，當(dāng)功率增加至2200W時，其裂紋率上升到了22%，因為激光的功率上升了，那么它輸入的能量就增加了，這也會讓熔池的溫度升得更高些，冷卻的速率就會加速很多，這樣迅速地冷卻就會讓材料內(nèi)部產(chǎn)生的熱應(yīng)力迅速擴大，在熱應(yīng)力超過材料強度極限的時候，裂紋就會產(chǎn)生出來。而且激光的功率加大時，還會讓熔池的流動性變得強些，有可能會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)生的機會
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進行實驗，對每個試樣進行檢測并記錄。
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毫米的時候，裂紋率為18%，而在掃描速度增加到每秒14毫米的時候裂紋率卻下降到只有6%。因為掃描的速度變快，單位時間內(nèi)的能量輸入減少，使得熔池吸收的熱量總量降低，因此熔池的冷卻過程也就相對緩慢，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，熔池的形狀會變得更細長一些，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。所以通過調(diào)節(jié)掃描速度，在一定程度上可以控制裂紋的形成，進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進行實驗。
從實驗結(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。當(dāng)送粉速率為6g/min的時候，裂紋率是10%，而當(dāng)送粉速率提高到12g/min時，裂紋率就上升到了18%。造成這種情況的原因是，一方面，送粉速率過快會導(dǎo)致熔池的穩(wěn)定性被破壞，導(dǎo)致粉末顆粒沒有被完全熔化，形成未融合缺陷。未熔合缺陷的存在，會使構(gòu)件的力學(xué)性能顯著下降，在缺陷周圍會產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，進而使得熱應(yīng)力增加，裂紋就會更容易出現(xiàn)并且蔓延。另一方面，如果送粉速率過慢，熔池的體積會變得過小，不能形成連續(xù)的堆積層，這樣也會對構(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
綜上所述的實驗結(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設(shè)計的方法，對激光功率、掃描速度、送粉速率這三個因素進行了優(yōu)化，我們以裂紋率為評價指標(biāo)，設(shè)計了三因素四水平的正交試驗方案，總共進行了16組實驗。在實驗中，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，以此來保證實驗結(jié)果的準(zhǔn)確度，每組實驗都是做了三次，然后取這三次實驗結(jié)果的平均值作為這組實驗的最終結(jié)果,這樣做的目的是提高實驗數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性，通過對實驗數(shù)據(jù)進行詳細的方差分析，得出每個因素對于裂紋率的影響程度。分析結(jié)果表明，激光功率對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)過多輪實驗與數(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)性驗證實驗。結(jié)果顯示，在這個最佳工藝參數(shù)下制造出來的試樣，它的裂紋率波動比較小，表現(xiàn)出不錯的穩(wěn)定性，這就表示利用正交試驗設(shè)計方法得出的最佳工藝參數(shù)組合不但大幅削減了裂紋率，而且具備很強的重復(fù)性和可靠性，給實際生產(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)來制作試樣。實驗表明，當(dāng)添加1.5%的鈮和2%的鉬時，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的50μm減小到20μm左右。而且，經(jīng)過拉伸試驗檢測，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程中會成為異質(zhì)形核核心，促使晶粒形核，進而細化晶粒。細化的晶粒可以增大晶界面積，晶界對裂紋擴展的阻礙作用變強，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DSC測試以后，可以縮減凝固區(qū)間，削減晶界處低熔點相的含量。用掃描電鏡(SEM)對晶界處的微觀構(gòu)造展開觀察，結(jié)果顯示，改良過的合金在晶界處低熔點相的含量削減了大約30%，晶界的結(jié)合強度明顯改善，有效地阻止了裂紋的產(chǎn)生。
3.3后處理工藝改進
3.3.1熱處理
用固溶時效處理工藝把經(jīng)增材制造后的構(gòu)件加熱到1050℃，保溫兩小時后再用水淬火，之后放到850℃做時效處理，保溫四個小時以后空冷。在執(zhí)行固溶處理的時候，合金里面的第二相會完全溶進基體里面，這樣就形成了均勻的固溶體，成分偏析的問題也被消除掉。水淬這個步驟會讓溶質(zhì)迅速冷卻，從而使得固溶體處在過飽和狀態(tài)。經(jīng)過時效處理以后，這種過飽和的固溶體就會從中析出很多細小而且分散的第二相，這些第二相能起到一種彌散強化的作用，進而提升材料的強度和硬度。接著用X射線應(yīng)力分析儀對熱處理前后的構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力進行檢測。由實驗數(shù)據(jù)得出，經(jīng)過熱處理后，構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力降低60%，然后用疲勞試驗機對試樣進行疲勞試驗，裂紋擴展速率下降40%，因為熱處理可以消除構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力，減少應(yīng)力集中，同時使組織均勻化，提高材料性能，抑制裂紋擴展。
3.3.2超聲沖擊處理
采用超聲沖擊設(shè)備對構(gòu)件表面進行處理,頻率為20kHz,沖擊時間10min。超聲沖擊處理時,高速運動的沖擊針反復(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。同時超聲沖擊還可以細化表層晶粒，改善表面質(zhì)量。采用X射線衍射殘余應(yīng)力測試技術(shù)對超聲沖擊處理前后構(gòu)件表面殘余應(yīng)力進行測試，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。用掃描電鏡來觀察處理前后表面的微觀結(jié)構(gòu)，超聲沖擊處理過后，表層的晶粒明顯變細，平均晶粒尺寸由原來的10μm縮減到3μm左右，經(jīng)過疲勞試驗再次證實，超聲沖擊處理之后，構(gòu)件的疲勞壽命增長了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行對比，采用多種檢測手段對試樣進行檢測，驗證裂紋抑制效果。使用金相顯微鏡對試樣的微觀組織進行觀察，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共晶相;優(yōu)化后的試樣晶粒更細小均勻，在晶界處低熔點共晶相的含量明顯減少。再用圖像分析軟件對晶粒尺寸進行統(tǒng)計，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，由其檢測得知，原始試樣的殘余應(yīng)力達到了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觀測裂紋形態(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，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)過優(yōu)化后的試樣的裂紋擴展得到了明顯的抑制，其裂紋長度與寬度都被顯著縮減，裂紋表面相對而言較為平滑些。綜合各項檢測結(jié)果可以看出，通過優(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)生與擴展。
5、結(jié)語
本文詳細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，通過剖析工藝參數(shù)，材料成分以及后續(xù)加工工藝對裂紋形成的影響，給出切實可行的裂紋抑制策略，試驗結(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，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較為繁雜的工程，以后還需不斷加強對合金成分和工藝參數(shù)的協(xié)同作用機理的研究，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用。
參考文獻
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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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