工藝參數和局部熱處理對激光沉積修復GH4169合金拉伸性能的影響

趙翔鵬 卞宏友 邵緒威 魏 莙

（1.張家界航空工業職業技術學院 航空制造學院，張家界 427000；2.沈陽工業大學 機械工程學院，沈陽 110000）

在先進的飛機發動機中，GH4169 合金的比重在50%以上[1]。航空零件多為復雜薄壁結構，在制造過程中易出現加工超差等缺陷，在惡劣服役環境下容易出現疲勞裂紋和磨損等失效情況。激光沉積修復技術具有熱輸入小的特點，能夠實現損傷部位的近凈成形修復，從而滿足航空零件高質高效的修復需求。

王志堅等研究了激光沉積修復工藝參數之間的關系[2]。盛定高的研究表明，K417G 合金渦輪葉片的激光修復組織良好，硬度較高[3]。卞宏友等的研究表明，短邊掃描路徑有利于降低殘余應力[4]。KIM 等的研究表明，激光熔覆技術將成為替代鎢極氬弧焊的修復工藝[5]。

基于這些研究，采用Inconel718 合金對GH4169合金的損傷試樣進行激光沉積修復試驗。通過正交試驗法研究了激光功率、掃描速度、送粉速度、搭接率、層高等對修復組織的影響，優化了修復工藝參數。同時，分析了不同掃描方式、局部熱處理方式對修復試樣室溫拉伸性能的影響，并分析了修復試樣顯微組織特征及硬度分布的特點。

1 試驗設備與試驗條件

采用LDM4030 激光同步送粉設備進行修復，基板為GH4169 合金板材，沉積材料為Inconel 718 球形粉末，粒度為53～150 μm。修復試樣經混合液化學腐蝕后制成金相樣品，采用OLYMPUS GX51 型光學顯微鏡和S3400 型掃描電鏡進行顯微組織觀察。采用HVS-1000A 顯微硬度計進行硬度測試，加載載荷為300 N，保荷時間為15 s。采用Z050 型試驗機測試力學性能，位移控制的加載速率為1 mm·min-1。利用局部感應加熱系統對修復試樣進行直接時效處理，溫度為720 ℃，爐冷8 h 至620 ℃，再空冷8 h。

2 試驗結果與分析

2.1 工藝參數優化

單道沉積試驗的激光工藝參數組合采用正交法設計，選取沉積單道的熔寬W、熔高H、熔深D為特征尺寸進行分析，如圖1 所示。試驗工藝參數組合及沉積單道的特征尺寸如表1 所示，其中RW為熔寬的極差，RH為熔高的極差，RD為熔深的極差。

表1 單道正交試驗參數表

圖1 沉積單道特征尺寸

由特征尺寸的極差可以看出，激光功率對熔寬和熔深的影響較大，掃描速度對熔寬、熔高和熔深的影響相差不大，而送粉速度對熔高和熔深的影響較大。在激光沉積修復中，熔池的體積主要取決于激光光斑的能量密度，能量密度隨著激光功率的增大而增大，隨著掃描速度的增大而減小。隨著激光功率的增加，熔寬和熔深不斷增大，熔高變化較小，如圖2（a）所示。隨著掃描速度的增加，熔寬、熔高和熔深逐漸降低，如圖2（b）所示。隨著進入熔池的粉末量增加，熔寬、熔高和熔深會逐漸增大。當激光功率保持不變時，掃描速度和送粉速度的匹配度會影響特征尺寸的變化，使其不呈線性變化，如圖2（c）所示。

圖2 工藝參數對沉積單道特征尺寸的影響

修復過程中常采用多道多層的沉積方式，其中道與道之間的搭接率R直接影響修復表面的宏觀平整程度，送粉頭相對工件表面的抬升量，即層高Z影響激光光斑直徑和送粉位置的變化[6]。同時，修復過程中會造成沉積區域熱量累積，使得修復的工件產生變形。為得到較好的修復表面精度和無缺陷的微觀組織，在單道沉積試驗的基礎上進行多道多層沉積試驗，優化得到工藝參數：P=1 400 W，Vs=7 mm·s-1，Vf=9 g·min-1，R=40%，Z=0.5 mm。

2.2 修復試樣的顯微組織和顯微硬度

針對航空零件上的穿透性裂紋和溝槽類磨損特點，將損傷部位規則加工成貫通槽形式，槽長L為30 mm，上沿寬W為14 mm，高H為3 mm，坡角θ為30°，如圖3 所示。修復過程中采用短邊、長邊兩種掃描路徑進行對比試驗，分別稱為短邊試樣和長邊試樣。

圖3 激光沉積修復示意圖

修復試樣中的修復區與基體之間以及修復區中道與道、層與層之間，均呈現致密的冶金結合特點?；w區為等軸晶組織，修復區的柱狀枝晶組織因熔池的快速冷凝呈現典型的外延生長特點，其生長取向性趨于平行沉積高度方向，如圖4 所示。

圖4 GH4169 合金的光學顯微組織

沿水平方向由修復區至基體區間隔1 mm 打點測量硬度如圖5 所示。由圖5 可知，沉積態試樣修復區的顯微硬度平均值為295 HV0.1，分布基本均勻。熔合線區的顯微硬度值為260 HV0.1，略微降低?；w區的平均硬度值為460 HV0.1。

圖5 激光沉積修復試樣的顯微硬度

2.3 室溫拉伸性能

激光沉積修復試樣室溫拉伸性能，如表2 所示，其中σb為抗拉應力，σ0.2為屈服強度，δ為抗拉應力超出屈服強度的比例。根據《GH4169 合金鍛件》（Q/3B 548—1996）標準規定，鍛件σb不小于1 340 MPa，σ0.2不小于1 100 MPa。由表2 可知，短邊與長邊試樣的拉伸性能均低于鍛件，其中長邊又低于短邊。

表2 激光沉積修復試樣室溫拉伸性能

修復試樣的掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）組織，如圖6 所示。在未熱處理的沉積態試樣柱狀枝晶間析出白色Laves 脆性相，該相強度、硬度偏低會導致修復區性能降低。同時，由于修復試樣的顯微組織存在各向異性，長邊試樣受修復區中道與道之間重熔區柱狀枝晶粗化現象影響，拉伸性能低于短邊試樣[7]。經局部熱處理后，修復試樣的枝晶間Laves 相有一定溶解，從樹枝狀變為較小的島狀。由于Laves 相富集大量Nb 元素，它的溶解可以促進析出γ"和γ′相，產生的共格強化及有序強化作用可以有效提升修復試樣的拉伸性能。因此，局部熱處理態試樣的平均抗拉強度、屈服強度分別達到鍛件的86.8%和98.3%。這也是經局部熱處理后，修復區、熔合線區的硬度值升高并與基體趨于一致的原因。

圖6 修復試樣的SEM 組織

3 結語

通過激光沉積修復試驗可知，工藝參數和局部熱處理對激光沉積修復GH4169 合金拉伸性能具有一定影響。優化GH4169 合金激光沉積修復工藝參數，可以獲得無缺陷的修復組織。經局部熱處理后，枝晶間Laves相有一定溶解，平均抗拉強度和屈服強度分別提高至鍛件的86.8%和98.3%。經局部時效熱處理后，修復試樣的修復區、熔合線區和基體的硬度分布趨于均勻。