變功率激光熔覆鎳基涂層裂紋特性研究

黃 哲,楊廣峰,崔 靜

(1.中國民航大學(xué)中歐航空工程師學(xué)院,天津 300300；2.中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院,天津 300300)

1 引 言

民用航空發(fā)動機(jī)通常使用大涵道比的渦扇發(fā)動機(jī),其熱端部件通常由高溫合金作為材料以應(yīng)對復(fù)雜的服役環(huán)境。K417G以鎳為基體的K417高溫合金為基礎(chǔ),針對性改變Co、Ti、Cr等合金成分含量,保持中高溫高強(qiáng)度性能的基礎(chǔ)上提高可塑性以及韌性,降低密度,目前已經(jīng)被大規(guī)模應(yīng)用于高壓渦輪的一二及導(dǎo)向葉片以及渦輪盤等熱端航發(fā)部件[1]。由于熱端葉片長時間處于高溫周期性循環(huán)作業(yè)的工況條件,服役部件易產(chǎn)生磨損、斷裂等失效情況,頻繁更換部件會提高生產(chǎn)成本有悖于民航運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)理論,因此通過表面技術(shù)提高葉片表面性能,延長葉片服役壽命是目前航空研究熱點(diǎn)方向。GH3536是一種在鎳鉻合金原有基礎(chǔ)上加入鉬以及大比例的鐵元素的一種新型鎳基高溫合金,可塑性高、抗持久蠕變能力強(qiáng)、抗氧化性優(yōu)異[2]。將GH3536粉末通過激光熔覆手段在K417G基體表面制備熔覆涂層,能夠在保證基體材料原本優(yōu)勢基礎(chǔ)上強(qiáng)化其表面性能。本文通過變功率激光熔覆實(shí)驗(yàn),探究激光功率變化對涂層組織裂紋的影響。

2 實(shí)驗(yàn)部分

本實(shí)驗(yàn)的基體材料選用鎳基高溫合金K417G,其化學(xué)元素成分見表1,將棒狀合金通過線切割機(jī)切割成長條形板材,基材物理尺寸為50 mm×30 mm×10 mm。將切割好的基體材料上表面進(jìn)行打磨拋光,然后使用酒精進(jìn)行表面清洗并用超聲波去污,之后放入干燥箱備用[3]。熔覆粉末選擇為純度大于99.99% 的鎳基高溫合金GH3536粉末,化學(xué)成分見表2,粒徑為150～1000 μm,在熔覆前將粉末放于真空箱中進(jìn)行干燥與預(yù)熱。

表2 GH3536鎳基高溫合金粉末化學(xué)成分(wt%)

采用COHERENT HighLigh-10000D系列大功率工業(yè)激光器激光器進(jìn)行同軸送粉同向多道激光熔覆實(shí)驗(yàn),通過前期文獻(xiàn)查閱以及實(shí)驗(yàn)探索確定合適實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍,并確定本次實(shí)驗(yàn)參數(shù)為工業(yè)上常用的光斑直徑2 mm、離焦量30 mm、氬氣保護(hù)流量10 L/min固定送粉速度4.3 g/min,掃描速度5 mm/s。通過控制變量進(jìn)行變激光功率組實(shí)驗(yàn),激光功率分別為(a)600 W、(b)800 W、(c)1000 W、(d)1200 W；將制備好的試件冷卻清洗后進(jìn)行宏觀形貌觀察得到的熔覆層表面形貌如圖1所示,多道同向搭接熔覆層相互平行、排列規(guī)整,涂層表面規(guī)則均勻,宏觀下無表面開裂,破損等缺陷,熔覆層與基體材料冶金結(jié)合效果良好,激光熔覆總體成型質(zhì)量優(yōu)異。隨著激光功率提升,表面顏色由最初的銀白金屬光澤逐漸發(fā)暗、變黃直至產(chǎn)生紫藍(lán)色光澤,熔覆層表面經(jīng)歷了由淺轉(zhuǎn)深的過程[4]。

圖1 熔覆層表面宏觀形貌

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 熔覆層裂紋形成機(jī)理分析

激光熔覆中的凝固過程一起特性會對熔覆層凝固組織產(chǎn)生約束應(yīng)力、組織應(yīng)力以及熱應(yīng)力[5],在激光熔覆復(fù)雜的應(yīng)力作用中熱應(yīng)力對熔覆層裂紋的影響尤為明顯。激光熔覆過程會在基體材料表面形成一個不斷移動的熔池,伴隨送入的熔覆粉末迅速熔化凝固形成熔覆層,使得過程中出現(xiàn)較大的溫度梯度而形成應(yīng)力集中。本實(shí)驗(yàn)中熔覆材料與基體材料同為鎳基高溫合金,兩者之間熔點(diǎn)、線膨脹系數(shù)等熱物性存在的差異有限但也在一定程度上加劇了產(chǎn)生熔覆層裂紋與孔洞等缺陷的可能。

通過掃描電鏡觀察熔覆層中如圖2所示的不同種類裂紋缺陷。圖2(a)、(b)為熔覆層中生長方向及組織結(jié)構(gòu)不同的枝晶之間的裂紋,不同樹枝晶與柱狀晶之間在凝固時溫度梯度過大晶枝組織在交接位置產(chǎn)生應(yīng)力導(dǎo)致裂紋缺陷。裂紋沿晶枝組織邊界生長,部分裂紋圍繞小區(qū)域晶枝四周產(chǎn)生繞晶裂紋。

激光熔覆層中奧氏體晶界上存在許多微小的孔洞如圖2(c)所示,由晶枝組織的析出物脫離產(chǎn)生,熔覆層的鎳基高溫合金在γ’相析出時,往往與鎳基奧氏體母相之間產(chǎn)生較大的錯配度,這種錯配度在凝固時會導(dǎo)致應(yīng)力應(yīng)變產(chǎn)生使得析出物脫離母相留下微小孔洞。距離相近的孔洞容易形成裂紋,形成的微小裂紋大多與晶枝的方向相同,因此同一區(qū)域內(nèi)方向相同的微小裂紋會聯(lián)結(jié)擴(kuò)展,導(dǎo)致沿晶間生長的微觀裂紋[6]。底部區(qū)域在激光熔覆過程中受到的應(yīng)力是最復(fù)雜的,包含組織應(yīng)力、熱應(yīng)力、約束應(yīng)力等綜合作用,最易產(chǎn)生裂紋缺陷,如圖2(d)所示。熔池底部的基體材料是固定的,溫度與熔池溫度差距極大,二者導(dǎo)熱率、線膨脹系數(shù)等熱物性參數(shù)也存在差異,凝固過程中極易產(chǎn)生應(yīng)力集中形成裂紋源擴(kuò)展出大片裂紋[7]。

圖2 熔覆層裂紋洞孔微觀形貌

通過掃描電鏡對不同試件進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)激光功率不同的熔覆層微觀組織中裂紋的數(shù)量與程度都有較大差異,例如圖2(d)中較為嚴(yán)重的大范圍裂紋只存在于少量實(shí)驗(yàn)組試件,以此進(jìn)一步探究激光功率的影響。

3.2 激光功率對熔覆層裂紋影響

根據(jù)激光熔覆工藝參數(shù)與熔覆層裂紋率之間的回歸方程以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,激光功率在各實(shí)驗(yàn)參數(shù)中對熔覆層裂紋的影響是最大的。由下至上依次分析熔覆層各區(qū)域的裂紋缺陷情況,圖3所示為不同功率制備的涂層平面晶區(qū)域的微觀組織形貌。1200 W下制備的涂層底部存在孔洞、夾渣等缺陷,適當(dāng)降低激光功率在底部結(jié)合區(qū)附近的缺陷大量消失、成形質(zhì)量提高。熔覆粉末受激光輻射迅速熔化升溫而基體材料未在激光作用范圍,二者溫差極大,當(dāng)熔池開始凝固時由下至上,底部區(qū)域最先凝固成平面晶,當(dāng)熱量輸入較小時,底部平面晶生成時間縮短,平面晶厚度降低同時孔洞缺陷減少。

圖3 平面晶區(qū)域微觀形貌

圖4中不同功率制備的熔覆層底部樹枝晶組織裂紋程度有明顯差異。隨著激光功率升高,熔池整體溫度提升,熔覆層組織因此獲得更為充分的流動過程與凝固時間,熔池充分流動減少了形成孔洞、夾渣等缺陷產(chǎn)生的可能,更久凝固過程保證了樹枝晶生長方向的統(tǒng)一性。因?yàn)?00 W功率過小,熔覆過程時間短,合金粉末融化不充分或內(nèi)部的渣屑、氣孔不能排除,因此在熔覆層底部造成許多孔洞、裂紋缺陷[7]。適當(dāng)提高激光功率,可以延長熔池存在時間減輕晶枝組織缺陷。

圖4 枝狀晶區(qū)域微觀形貌

比較圖5中不同功率下熔覆層頂部等軸晶區(qū)域微觀組織發(fā)現(xiàn),相比于600 W制備的試件1000 W激光功率形成的熔池最高溫度更高,熔池存在時間延長,熔覆層等軸晶區(qū)域有更充分的凝固過程。因此提高功率可以使中上部的孔洞缺陷減少并且晶枝生長分布更加規(guī)律。激光功率在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)提高時,會減少中上部裂紋、孔洞的數(shù)量及規(guī)模,有利于提高涂層的物理性能,但激光功率提高引起平面晶的厚度上升并增加在平面晶以及其相鄰區(qū)域出現(xiàn)裂紋的可能性。通過綜合比較,本實(shí)驗(yàn)參數(shù)工況下選擇激光功率800 W制備的熔覆層成型質(zhì)量最為優(yōu)異。

圖5 等軸晶區(qū)域微觀形貌

3.3 熔覆層元素偏析與裂紋關(guān)系

通過對比EDS能譜儀對于裂紋區(qū)域掃描結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),存在裂紋缺陷的區(qū)域有明顯的C元素富集。并且通過元素偏析結(jié)果推斷出析出物富集位置與裂紋缺陷區(qū)域高度重合,組織中微孔洞的形成與析出碳化物有直接關(guān)系,由于元素偏析位置不盡相同,而碳化物晶間析出物與基體分離形成的微孔洞位置一致,因此等軸晶區(qū)域沿晶開裂。如圖6所示。

圖6 裂紋區(qū)域EDS能譜掃描結(jié)果

對不同激光功率試件進(jìn)行EDS能譜掃描,圖7為不同功率下熔覆層中上部區(qū)域偏析情況對比,樹枝晶中Cu、C、Mo明顯偏析,當(dāng)功率較低時,中上部整體C元素含量較低,偏析明顯,而隨著功率增加,元素密度增加導(dǎo)致晶內(nèi)集中,使得C元素偏析減弱?；瘜W(xué)平衡常數(shù)分配系數(shù)k是大于平均值的Cu元素凝固時會在微觀組織中先凝固的晶枝內(nèi)部富集,而k小于平均值的Mo元素不斷地向后凝固的晶間液態(tài)中擴(kuò)散轉(zhuǎn)移,最終在枝晶晶間成分富集,間隙過冷形成低熔點(diǎn)共晶產(chǎn)物析出相[8]。Cu、Mo隨著激光功率增加,元素偏析情況逐漸減弱。

圖7 不同功率下熔覆層中上部EDS能譜檢測結(jié)果

圖8為熔覆層中底部及與基體交界區(qū)域組織的Cu、Mo、C三種元素在不同功率下的EDS掃描結(jié)果。隨著熔池輸入能量上升,凝固時的枝晶結(jié)構(gòu)中偏析情況就會減輕,隨著激光功率升高,熔覆層底部C元素整體濃度降低,并且C元素的整體含量向平面晶區(qū)域集中[9]。由于熔池輸入能量提高,熔池溫度提高,熔池存在時間延長導(dǎo)致凝固所需時間延長,C元素在熔池凝固時向上方擴(kuò)散有了更充裕的時間,因此底部C元素濃度降低。

圖8 不同功率下熔覆層與基體交界處的偏析情況

結(jié)合熔覆層不同高度區(qū)域的EDS掃描結(jié)果分析,熔覆層的元素偏析導(dǎo)致的晶間析出相是裂紋缺陷產(chǎn)生的主要原因,大部分裂紋的EDS掃描結(jié)果都存在C元素富集,對于GH3536涂層來說,適當(dāng)提高Ni元素占比或改變功率以控制碳化物的晶間析出相均有助于增強(qiáng)韌性減低裂紋數(shù)量[10]。

4 結(jié) 論

(1)鎳基高溫合金K417G熔覆GH3536粉末制備的涂層表面平整規(guī)則,無明顯缺陷。參數(shù)為送粉率4.3 g/min,掃描速度速度5 mm/s,光斑直徑2 mm,離焦量為0,保護(hù)氣體流量10 L/min,預(yù)熱溫度為 200 ℃時,最佳激光功率參數(shù)為800 W。改變參數(shù)設(shè)定會影響最佳效果的激光功率值,但激光功率變化對于裂紋影響的規(guī)律具有普適性。

(2)通過分析不同功率下涂層各晶枝組織區(qū)域的成型質(zhì)量,在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)激光功率提高時,會減少裂紋以及孔洞的數(shù)量及規(guī)模,有利于提高涂層的物理性能,但會提高平面晶厚度并降低平面晶區(qū)域晶枝組織質(zhì)量。

(3)熔覆層中Cu、Mo、C等元素會發(fā)生偏析,偏析程度隨激光功率變化而改變。熔覆層的裂紋、點(diǎn)蝕、孔洞等缺陷與熔覆層碳化物析出相富集位置高度重合。