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激光沉积修复DD5合金的枝晶外延生长控制与显微组织特征

卞宏友 徐效文 刘伟军 王蔚 邢飞 王慧儒

卞宏友, 徐效文, 刘伟军, 王蔚, 邢飞, 王慧儒. 激光沉积修复DD5合金的枝晶外延生长控制与显微组织特征[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(5): 20220731. doi: 10.3788/IRLA20220731
引用本文: 卞宏友, 徐效文, 刘伟军, 王蔚, 邢飞, 王慧儒. 激光沉积修复DD5合金的枝晶外延生长控制与显微组织特征[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(5): 20220731. doi: 10.3788/IRLA20220731
Bian Hongyou, Xu Xiaowen, Liu Weijun, Wang Wei, Xing Fei, Wang Huiru. Control of dendrite epitaxial growth and microstructure characteristics of laser deposition repaired DD5 alloy[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(5): 20220731. doi: 10.3788/IRLA20220731
Citation: Bian Hongyou, Xu Xiaowen, Liu Weijun, Wang Wei, Xing Fei, Wang Huiru. Control of dendrite epitaxial growth and microstructure characteristics of laser deposition repaired DD5 alloy[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(5): 20220731. doi: 10.3788/IRLA20220731

激光沉积修复DD5合金的枝晶外延生长控制与显微组织特征

doi: 10.3788/IRLA20220731
基金项目: 辽宁“百千万人才工程”资助项目(LNBQW2020B0050);辽宁省“兴辽英才计划”项目(XLYC1902022)
详细信息
    作者简介:

    卞宏友,男,教授,博士,主要从事激光增材制造、热处理方面的研究

    通讯作者: 刘伟军,男,教授,博士,主要从事激光增材制造、智能制造方面的研究
  • 中图分类号: TN249

Control of dendrite epitaxial growth and microstructure characteristics of laser deposition repaired DD5 alloy

Funds: Liaoning "Baiqianwan Talents Program", China (LNBQW2020B0050); Liaoning Province "Xingliao Talent Plan" Project, China (XLYC1902022)
  • 摘要: 采用DZ125高温合金粉末对DD5合金进行激光沉积修复,通过正交试验的方法,研究了激光功率、扫描速度和送粉量对单道单层沉积区枝晶外延生长的影响,实现了沉积区枝晶外延生长的控制。在此基础上,进行单道多层沉积修复试验,分析测量了单道多层沉积区的显微组织和硬度。结果表明:较低的热输入量和送粉量可显著提高沉积区枝晶外延占比;当激光功率为420 W、扫描速度为6 mm/s、送粉量为1.5 g/min时,单道单层沉积区枝晶外延占比约为100%。单道多层沉积区中下部为平面晶、沿沉积方向外延生长的柱状晶,顶部为等轴晶;沉积区γ′相不均匀地分布在γ相中,枝晶间区域的γ′相尺寸大于枝晶干区域的γ′相尺寸;沉积区底部短棒状MC碳化物沿枝晶间分布,且Ta元素含量较高;沉积区顶部的小块状以及八面体状MC碳化物随机分布。DD5合金基体平均显微硬度为425 HV0.5,沉积区平均显微硬度略高于基体,为449 HV0.5;与沉积区中部相比,沉积区底部和顶部的显微硬度略高,沉积区底部显微硬度最高。
  • 图  1  DZ125高温合金粉末的扫描电镜形貌

    Figure  1.  SEM morphology of DZ125 superalloy powder

    图  2  (a) 激光沉积设备;(b) DD5合金激光沉积修复示意图

    Figure  2.  (a) Laser deposition equipment; (b) Schematic diagram of laser deposition repaired DD5 alloy

    图  3  单层沉积区横截面的宏观形貌

    Figure  3.  Cross-section macroscopic morphology of single-layer deposition zone

    图  4  不同激光工艺参数的沉积区横截面宏观形貌

    Figure  4.  Cross-section macroscopic morphology of deposition region with different laser processing parameters

    图  5  (a) 激光工艺参数对沉积区熔宽W的影响;(b) 激光工艺参数对沉积区熔高H、熔深HR总高度H+HR的影响

    Figure  5.  (a) Influence of the laser processing parameters on width W of deposition zone; (b) Influence of the laser processing parameters on height H, remelted height HR and total height H+HR of deposition zone

    图  6  (a) 激光工艺参数对沉积区枝晶外延生长高度HE的影响;(b) 激光工艺参数对沉积区枝晶外延占比η的影响

    Figure  6.  (a) Influence of the laser processing parameters on dendrite epitaxial growth height HE of deposition zone; (b) Influence of the laser processing parameters on the ratio of dendrite epitaxial growth η of deposition zone

    图  8  (a) 基体宏观组织;(b) 沉积区宏观组织;(c) 等轴晶;(d) CET区域;(e) 柱状晶;(f) 平面晶

    Figure  8.  (a) Macrostructure of the substrate; (b) Macrostructure of the deposition zone; (c) Equiaxed crystal; (d) CET region; (e) Columnar crystals; (f) Planar crystal

    图  7  (a) 沉积区横截面的宏观形貌;(b) 沉积区宏观组织

    Figure  7.  (a) Cross-section macroscopic morphology of the deposition zone; (b) Macrostructure of the deposition zone

    图  9  (a) 基体γ'相形貌;(b) 热影响区γ'相形貌;(c) 沉积区枝晶外延区域γ'相形貌

    Figure  9.  (a) γ' morphology of the substrate; (b) γ' morphology of the heat affected zone; (c) γ' morphology of the dendritic epitaxial growth region of deposition zone

    图  10  (a) 沉积区枝晶干与枝晶间区域溶质分配系数;(b) 沉积区枝晶干与枝晶间区域溶质浓度差

    Figure  10.  (a) Partition coefficient between the core-dendritic and inter-dendritic region of deposition zone; (b) Amplitude of solution concentration between the core-dendritic and inter-dendritic region of deposition zone

    图  11  (a) 基体碳化物分布;(b) 基体碳化物微观形貌;(c) 热影响区碳化物微观形貌

    Figure  11.  (a) Carbide distributions in the substrate; (b) Carbide morphology of the substrate; (c) Carbide morphology of the heat affected zone

    图  12  (a) 沉积区中下部碳化物分布;(b) 沉积区顶部碳化物分布;(c) 沉积底部碳化物微观形貌;(d) 沉积中部碳化物微观形貌;(e) 沉积顶部碳化物微观形貌;

    Figure  12.  (a) Carbide distributions in middle and lower of the deposition zone; (b) Carbide distributions in top of the deposition zone; (c) Carbide morphologies at the bottom; (d) Carbide morphologies at the middle; (e) Carbide morphologies at the top

    图  13  (a) 基体与沉积区显微硬度;(b)平均显微硬度

    Figure  13.  (a) Microhardness of substrate and deposition zone; (b) Average microhardness

    表  1  DZ125高温合金粉末与DD5合金的化学成分(wt.%)

    Table  1.   Chemical composition of DZ125 superalloy powder and DD5 alloy (wt.%)

    MaterialCCrCoMoWAlTiTaHfBReNi
    DZ1250.078.49.51.56.54.81.23.51.20.01-Bal
    DD50.057.07.51.55.06.2-6.50.15-2.6Bal
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    表  2  激光沉积修复DD5合金工艺参数

    Table  2.   Process parameters of laser deposition repaired DD5 alloy

    No.P/WVb/mm·s−1m/g·min−1Spot diameter/mm
    142061.53
    242084.53
    3420107.53
    452064.53
    552087.53
    6520101.53
    762067.53
    862081.53
    9620104.53
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    表  3  基体与沉积区不同区域的碳化物能谱分析(wt.%)

    Table  3.   Energy spectrum analysis of the substrate and different regions of deposition zone (wt.%)

    StationCCrCoNiHfTaTiW
    Substrate5.542.341.8411.557.0671.67--
    Bottom14.641.801.5711.295.6165.10--
    Middle8.584.533.3317.3221.4829.894.755.64
    Top8.562.421.8413.3820.8536.365.945.74
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  • [1] Li Qiang, Guo Chenguang, Ding Guangshuo, et al. Research on milling subsurface layer damages of DD5 Ni-based single crystal superalloy [J]. China Mechanical Engineering, 2020, 31(21): 2638-2645. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1004-132X.2020.21.015
    [2] Bian Hongyou, Di Tengda, Wang Shijie, et al. Microstructure and wear properties of laser deposition repaired DZ125 alloy [J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2020, 49(6): 2039-2045. (in Chinese)
    [3] Zhou Zhipeng, Huang Lan, Shang Yijing, et al. Causes analysis on cracks in nickel-based single crystal superalloy fabricated by laser powder deposition additive manufacturing [J]. Materials & Design, 2018, 160: 1238-1249. doi:  https://doi.org/10.1016/j.matdes.2018.10.042
    [4] Xue Jun, Feng Jiantao, Ma Changzheng, et al. Influence of laser shock peening on microstructure and oxidation resistance of laser additive manufactured TC4 titanium alloy [J]. Chinese Optics, 2018, 11(2): 198-205. (in Chinese) doi:  10.3788/co.20181102.0198
    [5] Li Yanzhou, Shi Yan. Microstructure and corrosion resistance of AlCrFeCoNiCu high-entropy coating by laser deposition on an aluminum alloy [J]. Chinese Optics, 2019, 12(2): 344-354. (in Chinese) doi:  10.3788/co.20191202.0344
    [6] Yang Guangfeng, Gao Feng, Cui Jing, et al. Effect of scanning speed on microstructure and properties of 300M steel cladding C276 coating [J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(1): 20220328. (in Chinese) doi:  10.3788/IRLA20220328
    [7] Li Yanzhou, Shi Yan. Microstructure and process optimization of AlCrFeCoNiCu high-entropy alloy by laser deposition [J]. Optics and Precision Engineering, 2019, 27(4): 795-806. (in Chinese) doi:  10.3788/OPE.20192704.0795
    [8] Fu Chongliang, Fu Jinbao, Ding Yalin, et al. Porosity control of Inconel 718 in high deposition-rate laser metal deposition [J]. Optics and Precision Engineering, 2015, 23(11): 3005-3011. (in Chinese) doi:  10.3788/OPE.20152311.3005
    [9] Chen Hao, Lu Yuanyuan, Luo Deng, et al. Epitaxial laser deposition of single crystal Ni-based superalloys: repair of complex geometry [J]. Journal of Materials Processing Technology, 2020, 285(1-2): 116782. doi:  10.1016/j.jmatprotec.2020.116782
    [10] Gäumann M, Henry S, Cléton F, et al. Epitaxial laser metal forming: analysis of microstructure formation [J]. Materials Science & Engineering A, 1999, 271(1): 232-241. doi:  https://doi.org/10.1016/S0921-5093(99)00202-6
    [11] Gäumann M, Bezençon P, Canalis W, et al. Single-crystal laser deposition of superalloys: processing-microstructure maps [J]. Acta Materialia, 2001, 49(6): 1051-1062. doi:  10.1016/S1359-6454(00)00367-0
    [12] Kaierle S, Overmeyer L, Alfred I, et al. Single-crystal turbine blade tip repair by laser cladding and remelting [J]. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, 2017, 19: 196-199. doi:  10.1016/j.cirpj.2017.04.001
    [13] Rong Peng, Guo Jiachen. Effect of substrate orientation on formation of heterocrystals in laser cladding zone [J]. Chinese Journal of Lasers, 2021, 48(6): 0602110. (in Chinese) doi:  10.3788/CJL202148.0602110
    [14] Nie Jianwen, Chen Chaoyue, Liu Longtao, et al. Effect of substrate cooling on the epitaxial growth of Ni-based single-crystal superalloy fabricated by direct energy deposition [J]. Journal of Materials Science & Technology, 2021, 62(3): 148-161. doi:  https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.05.041
    [15] Liang Yaojian, Li Jia, Li An, et al. Experimental optimization of laser additive manufacturing process of single-crystal nickel-base superalloys by a statistical experiment design method [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2017, 697: 174-181. doi:  10.1016/j.jallcom.2016.12.109
    [16] Liu Xiaoxin, Cheng Xu, Wang Huaming, et al. Influence of processing conditions on formation of stray grains in DD5 single crystal superalloys by laser melting multi-traced deposition [J]. Chinese Journal of Lasers, 2017, 44(6): 0602009. (in Chinese) doi:  10.3788/CJL201744.0602009
    [17] Liu Zhaoyang, Qi Huan. Effects of substrate crystallographic orientations on crystal growth and microstructure formation in laser powder deposition of nickel-based superalloy [J]. Acta Materialia, 2015, 87: 248-258. doi:  10.1016/j.actamat.2014.12.046
    [18] Bian Hongyou, Zhai Quanxing, Qu Shen, et al. Experimental study on laser deposition repair GH738 alloy [J]. Infrared and Laser Engineering, 2018, 47(7): 0706002. (in Chinese) doi:  10.3788/IRLA201847.0706002
    [19] Wang Tao, Zhu Yanyan, Zhang Shuquan, et al. Grain morphology evolution behavior of titanium alloy components during laser melting deposition additive manufacturing [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2015, 632: 505-513. doi:  10.1016/j.jallcom.2015.01.256
    [20] Bian Hongyou, Zhai Xingyue, Wang Shijie, et al. Microstructure and properties of two-stage aging heat treated single multilayer DZ125 after laser deposition repair [J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2020, 49(9): 3122-3128. (in Chinese)
    [21] Wang Guowei, Liang Jingjing, Yang Yanhong, et al. Effects of scanning speed on microstructure in laser surface-melted single crystal superalloy and theoretical analysis [J]. Journal of Materials Science & Technology, 2018, 34(8): 1315-1324. doi:  https://doi.org/10.1016/j.jmst.2017.11.027
    [22] Ci Shiwei, Liang Jingjing, Li Jinguo, et al. Microstructure and stress-rupture property of DD32 nickel-based single crystal superalloy fabricated by additive manufacturing [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2020, 854: 157180. doi:  https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157180
    [23] Yu Huan, Li Lian, Zhou Zhenzhen, et al. Phase transformation and microstructure formation of K424 superalloy with different cooling rate [J]. Journal of Aeronautical Materials, 2014, 34(3): 1-7. (in Chinese) doi:  10.11868/j.issn.1005-5053.2014.3.001
    [24] Li Qiuge, Lin Xin, Wang Xinghua, et al. Microstructure of laser solid forming K465 superalloy [J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2016, 45(5): 1215-1219. (in Chinese) doi:  CNKI:SUN:COSE.0.2016-05-026
    [25] Xing Pengyu, Zhang Yiwen, Jia Jian. MC carbides in FGH4098 alloy with different Ta contents [J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2018, 39(2): 88-92. (in Chinese) doi:  http://dx.doi.org/10.13289/j.issn.1009-6264.2017-0414
    [26] Cao X, Rivaux B, Jahazi M, et al. Effect of pre- and post-weld heat treatment on metallurgical and tensile properties of Inconel 718 alloy butt joints welded using 4 kW Nd: YAG laser [J]. Journal of Materials Science, 2009, 44(17): 4557-4571. doi:  10.1007/s10853-009-3691-5
  • [1] 杨广峰, 郜峰, 崔静, 薛安源.  扫描速度对300M钢熔覆C276涂层组织及性能的影响 . 红外与激光工程, 2023, 52(1): 20220328-1-20220328-9. doi: 10.3788/IRLA20220328
    [2] 蔡家轩, 万乐, 石世宏, 吴捷, 杨强, 石拓, 程梦颖.  激光熔化沉积AlSi10Mg温度场对显微组织性能的影响 . 红外与激光工程, 2022, 51(5): 20210366-1-20210366-10. doi: 10.3788/IRLA20210366
    [3] 王维, 张力书, 李长富, 钦兰云, 杨光, 刘艳梅.  LDM-SLM复合成形Ti6Al4V钛合金的显微组织及力学性能 . 红外与激光工程, 2019, 48(S2): 7-15. doi: 10.3788/IRLA201948.S205002
    [4] 杨光, 刘佳蓬, 钦兰云, 任宇航, 王维.  激光沉积TA15钛合金显微组织及高周疲劳性能研究 . 红外与激光工程, 2018, 47(11): 1106003-1106003(6). doi: 10.3788/IRLA201847.1106003
    [5] 邱星武, 吴明军, 戚燕, 刘春阁, 张云鹏, 黄崇湘.  激光熔覆Al2CrFeCoCuNixTi高熵合金涂层的组织及耐蚀性能 . 红外与激光工程, 2018, 47(7): 706008-0706008(8). doi: 10.3788/IRLA201847.0706008
    [6] 卞宏友, 翟泉星, 曲伸, 杨光, 王伟, 王维.  GH738合金激光沉积修复试验研究 . 红外与激光工程, 2018, 47(7): 706002-0706002(6). doi: 10.3788/IRLA201847.0706002
    [7] 张佩宇, 汪诚, 谢孟芸, 李玉琴, 安志斌.  激光冲击对K403合金激光熔覆修复微观组织和性能的影响 . 红外与激光工程, 2017, 46(9): 906003-0906003(7). doi: 10.3788/IRLA201746.0906003
    [8] 杨光, 王文东, 钦兰云, 任宇航, 李长富, 王维.  退火温度及保温时间对激光沉积制造TA15钛合金微观组织和显微硬度的影响 . 红外与激光工程, 2017, 46(8): 806006-0806006(6). doi: 10.3788/IRLA201746.0806006
    [9] 王彦芳, 李豪, 石志强, 肖亚梅, 孙旭, 王亭.  激光熔覆高耐蚀Fe基固溶体合金涂层 . 红外与激光工程, 2017, 46(8): 806001-0806001(5). doi: 10.3788/IRLA201746.0806001
    [10] 杨光, 刘欢欢, 周佳平, 钦兰云, 王维, 任宇航.  激光沉积修复某型飞机垂尾梁研究 . 红外与激光工程, 2017, 46(2): 206004-0206004(9). doi: 10.3788/IRLA201746.0206004
    [11] 钦兰云, 庞爽, 杨光, 王超, 王维.  激光沉积修复ZL114A铝合金的显微组织及显微硬度研究 . 红外与激光工程, 2017, 46(5): 506004-0506004(6). doi: 10.3788/IRLA201746.0506004
    [12] 卞宏友, 赵翔鹏, 李英, 杨光, 钦兰云, 王维, 任宇航.  激光沉积修复GH4169合金试验研究 . 红外与激光工程, 2016, 45(2): 206006-0206006(6). doi: 10.3788/IRLA201645.0206006
    [13] 卞宏友, 雷洋, 李英, 杨光, 钦兰云, 王维, 韩双隆.  感应预热对激光沉积修复TA15钛合金显微组织和残余应力的影响 . 红外与激光工程, 2016, 45(7): 705003-0705003(6). doi: 10.3788/IRLA201645.0705003
    [14] 杨光, 丁林林, 王向明, 王华明, 钦兰云.  扫描路径对激光修复钛合金残余应力与变形的影响 . 红外与激光工程, 2015, 44(10): 2926-2932.
    [15] 蒋帅, 李怀学, 石志强, 王玉岱, 黄柏颖, 周永强.  热等静压对激光直接沉积Ti60 合金组织与拉伸性能的影响 . 红外与激光工程, 2015, 44(1): 107-111.
    [16] 王维, 刘奇, 杨光, 钦兰云, 岳耀猛.  电磁搅拌辅助钛合金激光沉积修复的电磁场模拟与验证 . 红外与激光工程, 2015, 44(9): 2666-2671.
    [17] 王维, 李新宇, 杨光, 钦兰云, 任宇航.  超声场下激光沉积TA15钛合金的组织和力学性能 . 红外与激光工程, 2015, 44(12): 3559-3564.
    [18] 唐淑君, 刘洪喜, 张晓伟, 王传琦, 蔡川雄, 蒋业华.  H13钢表面激光选区熔覆Ni-Al金属间化合物涂层的组织与性能 . 红外与激光工程, 2014, 43(5): 1621-1626.
    [19] 王维, 郭鹏飞, 杨光, 钦兰云, 卞宏友, 王伟, 任宇航.  超声波对BT20钛合金激光沉积修复作用机制探究 . 红外与激光工程, 2014, 43(8): 2453-2459.
    [20] 钦兰云, 王婷, 杨光, 王维, 卞宏友, 任宇航.  激光沉积修复BT20合金试验研究 . 红外与激光工程, 2014, 43(2): 404-410.
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-10-13
  • 修回日期:  2022-11-10
  • 刊出日期:  2023-05-25

激光沉积修复DD5合金的枝晶外延生长控制与显微组织特征

doi: 10.3788/IRLA20220731
    作者简介:

    卞宏友,男,教授,博士,主要从事激光增材制造、热处理方面的研究

    通讯作者: 刘伟军,男,教授,博士,主要从事激光增材制造、智能制造方面的研究
基金项目:  辽宁“百千万人才工程”资助项目(LNBQW2020B0050);辽宁省“兴辽英才计划”项目(XLYC1902022)
  • 中图分类号: TN249

摘要: 采用DZ125高温合金粉末对DD5合金进行激光沉积修复,通过正交试验的方法,研究了激光功率、扫描速度和送粉量对单道单层沉积区枝晶外延生长的影响,实现了沉积区枝晶外延生长的控制。在此基础上,进行单道多层沉积修复试验,分析测量了单道多层沉积区的显微组织和硬度。结果表明:较低的热输入量和送粉量可显著提高沉积区枝晶外延占比;当激光功率为420 W、扫描速度为6 mm/s、送粉量为1.5 g/min时,单道单层沉积区枝晶外延占比约为100%。单道多层沉积区中下部为平面晶、沿沉积方向外延生长的柱状晶,顶部为等轴晶;沉积区γ′相不均匀地分布在γ相中,枝晶间区域的γ′相尺寸大于枝晶干区域的γ′相尺寸;沉积区底部短棒状MC碳化物沿枝晶间分布,且Ta元素含量较高;沉积区顶部的小块状以及八面体状MC碳化物随机分布。DD5合金基体平均显微硬度为425 HV0.5,沉积区平均显微硬度略高于基体,为449 HV0.5;与沉积区中部相比,沉积区底部和顶部的显微硬度略高,沉积区底部显微硬度最高。

English Abstract

    • DD5合金是我国自主研制的第二代镍基单晶高温合金,因其在高温高压环境下具有优异的力学性能,被广泛应用于航空发动机单晶涡轮叶片的制造[1]。在恶劣的服役条件下,单晶涡轮叶片不可避免地会出现边缘磨损、裂纹等问题[2],这直接缩短了单晶涡轮叶片的使用寿命。目前,单晶涡轮叶片通常采用定向凝固和螺旋晶体选择的方法制造,这两种制造方法成本相对昂贵,致使更换仅边缘损伤的单晶涡轮叶片费用极高[3]。因此,迫切需要研究高效且经济的单晶涡轮叶片高质量修复技术。近些年来,增材制造技术已被广泛用于航空零部件的修复、表面改性和制造[4-5]。激光沉积修复技术作为增材制造技术的一种,具有热输入可控、熔池温度梯度高和可实现复杂结构形性一体化再制造的特点[6-8],在实现损伤单晶合金零部件高质量修复方面具有显著的技术优势[9]

      国内外学者对单晶合金激光沉积修复展开了一系列研究,Gäumann等[10-11]最先通过试验研究证实了激光沉积修复单晶合金的可行性,并表明了熔池特性与凝固过程中柱状晶向等轴晶转变(columnar-to-equiaxed transition,CET)的内在关联。Kaierle等[12]通过激光沉积和重熔的方式修复了PWA1426涡轮叶片尖端,并指出激光重熔可提高沉积区枝晶外延生长的高度。荣鹏[13]揭示了激光沉积修复区杂晶的形成与基材晶体取向的关系。Nie[14]对RenéN5单晶合金进行激光沉积修复,并表明水冷条件下沉积区枝晶外延生长比例增加。Liang等[15]采用RenéN5粉末对SRR99单晶合金进行激光沉积修复,研究结果表明相对较高的功率,较低的扫描速度有利于枝晶外延生长。刘小欣等[16]采用DD5合金粉末对SRR99单晶合金进行沉积修复,研究表明合适的激光扫描速度可减少沉积区杂晶的占比。

      综上,单晶合金激光沉积修复的重点在于沉积区枝晶外延生长的控制,合理控制激光工艺过程可成功修复单晶合金。此外,采用异质材料修复单晶合金具有光明的前景。与单晶合金的粉末相比,其他镍基高温合金的粉末价格较低,这使得采用其他镍基高温合金修复单晶合金的成本相对较低。Chen等[9]和荣鹏[13]均采用GH738镍基高温合金粉末实现了DD6单晶合金的激光沉积修复。然而,目前采用其他镍基高温合金对DD5合金进行激光沉积修复研究相对较少。DZ125高温合金应用广泛、在高温条件下具有良好的力学性能,且DZ125高温合金的成分、熔点和热膨胀系数与DD5合金相近。因此,选择DZ125高温合金作为修复材料,开展DD5合金的激光沉积修复研究。

      文中采用DZ125高温合金粉末,在DD5合金上进行激光沉积修复,深入研究了激光功率、扫描速度和送粉量对单道单层沉积区枝晶外延生长的影响以及单道多层沉积区组织特征、硬度分布规律,以期为DD5合金的高质量修复提供指导依据。

    • 激光沉积修复试验所用粉末为气体雾化法制备的DZ125高温合金球形粉末,粉末粒径为50~150 μm;图1显示了扫描电镜下粉末的微观形貌,可以看出,粉末球形度良好。基体材料为DD5合金,粉末材料与基体的化学成分如表1所示。查阅《高温合金手册》可知,DZ125高温合金的熔点、20~1100 ℃热膨胀系数分别为1295 ℃和16.84×10−6/℃,DD5合金的熔点、20~1100 ℃热膨胀系数分别为1342 ℃和15.76×10−6/℃。试验前将粉末放置于150 ℃烘干箱内烘干2 h,采用400目砂纸对基材表面进行打磨,并使用丙酮和酒精清洗。

      图  1  DZ125高温合金粉末的扫描电镜形貌

      Figure 1.  SEM morphology of DZ125 superalloy powder

      表 1  DZ125高温合金粉末与DD5合金的化学成分(wt.%)

      Table 1.  Chemical composition of DZ125 superalloy powder and DD5 alloy (wt.%)

      MaterialCCrCoMoWAlTiTaHfBReNi
      DZ1250.078.49.51.56.54.81.23.51.20.01-Bal
      DD50.057.07.51.55.06.2-6.50.15-2.6Bal

      激光沉积修复试验设备如图2(a)所示,设备主要包括光纤激光器、四路同轴熔覆头、送粉器,以及配有气体循环净化系统的成形保护箱。其中,激光器为IPG光纤激光器,波长为1070 nm,最大输出功率为2 kW。试验过程中向成形保护箱中通入99.99%的高纯度氩气,并通过气体循环净化系统将水氧含量循环净化至50 ppm(1 ppm=10−6)以下。试验时基体加工表面上的激光光斑直径为3 mm,四路喷嘴与基体加工表面之间的距离为42 mm;激光在基材表面(001)晶面沿[100]方向扫描,沉积方向为[001]方向,见图2(b)。通过查阅文献[2],选择激光功率P为420~620 W,并通过基础试验确定扫描速度和送粉量的范围,扫描速度Vb为6~10 mm/s,送粉量m为1.5~7.5 g/min。DD5合金单道单层沉积修复试验的激光工艺参数组合通过正交法设计,如表2所示。测量单道沉积区的相关特征尺寸,通过方差分析的方法研究激光功率、扫描速度和送粉量对沉积区形貌与枝晶外延生长的影响规律。在此基础上,采用优化后的激光工艺参数,开展单道10层沉积修复试验。

      DD5合金沉积修复试验完成后,采用线切割沿垂直激光扫描方向截取试样。试样经砂纸、金刚石溶液和腐蚀剂(HCl∶CuSO4∶H2O=4∶1∶25)打磨、抛光和腐蚀后,制成金相试样。利用光学显微镜(LWD200-4XC)和配备EDS的扫描电镜(OXFOXRDS-3400N)观察金相试样的显微组织。通过HVS-1000显微硬度计沿沉积高度方向进行硬度测量,加载载荷为5 N,保荷时间为15 s。

      图  2  (a) 激光沉积设备;(b) DD5合金激光沉积修复示意图

      Figure 2.  (a) Laser deposition equipment; (b) Schematic diagram of laser deposition repaired DD5 alloy

      表 2  激光沉积修复DD5合金工艺参数

      Table 2.  Process parameters of laser deposition repaired DD5 alloy

      No.P/WVb/mm·s−1m/g·min−1Spot diameter/mm
      142061.53
      242084.53
      3420107.53
      452064.53
      552087.53
      6520101.53
      762067.53
      862081.53
      9620104.53
    • 图3为单道单层沉积区横截面的宏观形貌。可以看出,柱状枝晶沿[001]方向从基体外延生长,在沉积区顶部转变为等轴晶,这符合沉积修复快速凝固的特征[17]。与DD5合金沉积修复质量紧密相关的特征尺寸(熔宽W、熔高H、熔深HR、总高度H+HR、枝晶外延高度HE、枝晶外延占比η)已在图中标出。其中,枝晶外延占比η的表达式如下:

      图  3  单层沉积区横截面的宏观形貌

      Figure 3.  Cross-section macroscopic morphology of single-layer deposition zone

      $$ \eta=\frac{H_{\rm E}}{H+H_{\rm R}} $$ (1)

      图4显示了不同激光工艺参数的沉积区横截面宏观形貌。激光工艺参数对沉积区形貌的影响如图5所示。由图5(a)可知,激光功率对熔宽的影响尤为显著。随着激光功率的增加,熔宽明显增大;随着扫描速度和送粉量的增加,熔宽逐渐减小。原因在于熔宽的改变主要由沉积区总热输入量决定[18]。如图5(b)所示,熔高、熔深及总高度随激光功率和扫描速度的变化趋势与熔宽相似。因此,增加激光功率、降低扫描速度可增大热输入,从而增大沉积区尺寸。与激光功率、扫描速度不同,随着送粉量的增加,熔高、总高度增加,但熔深降低。这是因为送粉量的增加使得单位时间内熔池内熔化的粉末数量增加,从而熔高、总高度增大,但送粉量的增加降低了输入到基体的能量,导致熔深降低。综上所述,增加激光热输入量和送粉量可增大沉积区尺寸,有利于提高DD5合金的激光沉积修复效率。

      图  4  不同激光工艺参数的沉积区横截面宏观形貌

      Figure 4.  Cross-section macroscopic morphology of deposition region with different laser processing parameters

      图  5  (a) 激光工艺参数对沉积区熔宽W的影响;(b) 激光工艺参数对沉积区熔高H、熔深HR总高度H+HR的影响

      Figure 5.  (a) Influence of the laser processing parameters on width W of deposition zone; (b) Influence of the laser processing parameters on height H, remelted height HR and total height H+HR of deposition zone

    • 通过枝晶外延高度HE、枝晶外延占比η可判断单道多层沉积修复时枝晶组织能否连续外延生长[15]。因此,研究枝晶外延高度HE、枝晶外延占比η的变化规律对于成功实现DD5合金沉积修复至关重要。

      激光工艺参数对枝晶外延生长的影响如图6所示。可以看出,激光功率对枝晶外延生长影响显著。随着激光功率的增加,枝晶外延高度逐渐增大,但枝晶外延占比明显减小。原因在于激光功率的增加使得热输入量增大,从而增大熔高、枝晶外延高度;但热输入量的增大使得熔池内部的温度梯度降低,凝固前沿的成分过冷度增加,从而促进等轴晶的形核[11],导致枝晶外延占比明显降低。

      图  6  (a) 激光工艺参数对沉积区枝晶外延生长高度HE的影响;(b) 激光工艺参数对沉积区枝晶外延占比η的影响

      Figure 6.  (a) Influence of the laser processing parameters on dendrite epitaxial growth height HE of deposition zone; (b) Influence of the laser processing parameters on the ratio of dendrite epitaxial growth η of deposition zone

      与激光功率相似,送粉量对枝晶外延生长影响同样明显。随着送粉量的增加,枝晶外延高度增大,但枝晶外延占比减小。这是因为增加送粉量会减少熔池吸收的热量,使得熔池内部未完全熔化的粉末颗粒数增多,导致凝固前沿等轴晶形核密度增加,促进等轴晶的形成[19],从而降低枝晶外延占比。与激光功率和送粉量不同,扫描速度对枝晶外延高度、占比的影响较弱。

      在DD5合金多层沉积修复过程中,若单层沉积区的枝晶外延占比大于杂晶占比且沉积区枝晶外延高度大于熔深,上一沉积层的杂晶区被下一沉积层重熔,可实现沉积区枝晶组织的连续外延生长。综上可知,对于DD5合金的激光沉积修复而言,与控制沉积效率相比,控制沉积区枝晶外延生长更重要。

      由分析结果可知,激光功率、送粉量与沉积区枝晶外延生长和杂晶形成紧密相关。根据 Gäumann 的研究[10],固液界面前沿过冷度达到临界形核过冷度时发生的等轴晶形核,会打断柱状晶外延生长,形成杂晶,即 CET 转变:

      $$ \begin{split} \frac{G^{n}}{V}=a \cdot\left[\sqrt[\mathop {\mathop {}\limits^{} }\limits^{\mathop {}\limits^{\mathop {}\limits^3 } }]{\frac{-4 \pi N_{0}}{3 \ln (1-\psi)}} \cdot \frac{1}{n+1}\right]^{n} \end{split} $$ (2)

      式中:G为温度梯度;V为固液界面凝固速率;ψ为杂晶体积分数;N0为形核率;a为与材料相关的常数;材料有关常数n取3.4。化简公式(2)可得到ψGVN0的关系式:

      $$ \begin{split} \\ \psi=1-a \cdot \exp \left[\left(-N_{0}\right)\left(\frac{V}{G^{34}}\right)^{3 / 3.4}\right] \end{split} $$ (3)
    • 图8(a)基体光镜下的组织形貌图可知,一次枝晶生长方向为[001]方向,平均一次枝晶臂间距约为120 μm。图8(b)显示了光镜下单道10层沉积区的组织形貌,沉积区不存在宏观裂纹等缺陷。如图8(c)~(d)所示,在沉积区顶部,外延生长的柱状晶转变为等轴晶(CET),等轴晶层的高度约为260 μm。如图8(e)所示,沉积区中部组织为沿沉积方向外延生长的柱状晶,平均一次枝晶臂间距约为6.84 μm。如图8(f)中箭头所指,沉积区底部组织为宽度约为7 μm的平面晶,平面晶的存在表明基体与沉积区已形成良好的冶金结合。

      图  8  (a) 基体宏观组织;(b) 沉积区宏观组织;(c) 等轴晶;(d) CET区域;(e) 柱状晶;(f) 平面晶

      Figure 8.  (a) Macrostructure of the substrate; (b) Macrostructure of the deposition zone; (c) Equiaxed crystal; (d) CET region; (e) Columnar crystals; (f) Planar crystal

      研究表明,沉积区组织形貌与温度梯度G和固液界面凝固速率V的比值相关[10]。采用优化后的激光工艺参数进行第一层沉积修复时,基材处于室温状态,熔池底部的温度梯度G最大,而凝固速率V最小,G/V比值趋于无穷大,满足平面晶的生长条件,沉积区晶粒从基体以平面晶方式外延生长[20]。与熔池底部相比,熔池中上部的温度梯度G降低,G/V比值减小,满足柱状晶生长的条件,平面晶转变为柱状晶。由于单层沉积区中枝晶外延占比约为100% (如图7所示),连续多层沉积修复时枝晶组织可外延生长。因此,单道10层沉积区中部为外延生长的柱状晶。

      由公式(3)可知,杂晶体积分数主要受温度梯度G、凝固速率V及形核率N0影响。在沉积修复过程中,沉积区顶部的温度梯度G最小而固液界面凝固速率V最大,易发生CET[10-11]。固液界面凝固速率V与扫描速度正相关,由图6可知,在文中选取的扫描速度范围内,扫描速度对杂晶的形成影响较弱,因此凝固速率对杂晶形成影响相对较弱,即杂晶的形成主要受温度梯度G和形核率N0的影响。激光功率的增加使得熔池热输入量增大,从而减小熔池内部温度梯度G,由公式(3)可知,杂晶体积分数增大。送粉量的增加使得单位时间内进入熔池的粉末量增加,导致熔池内部未完全熔化的粉末颗粒数增多,形核率N0增加,从而增大了杂晶的体积分数。

      综上所述,在DD5合金激光沉积修复过程中,为保证单道多层沉积区枝晶连续外延生长,应降低热输入量和送粉量。因此,通过正交试验优化得到两组较优的单道单层激光工艺参数分别为:第1组激光功率420 W、扫描速度6 mm/s、送粉量1.5 g/min和第2组激光功率420 W、扫描速度8 mm/s、送粉量4.5 g/min。与第2组相比,第1组的沉积区枝晶外延占比相对较高,更有利于成功修复DD5合金[15]。第1组的沉积区宏观形貌和组织分别如图7(a)、(b)所示。由图可知,单道单层沉积区内部无宏观裂纹,宏观条件下无法观察到等轴晶。因此,认为沉积区枝晶外延占比约为100%。采用第1组激光工艺参数进行单道多层沉积修复时,在一定沉积层数范围内,下一沉积层底部的晶粒可承接前一层的柱状晶继续外延生长。因此,选择第1组作为最优激光工艺参数,并采用此组激光工艺参数进行单道多层沉积修复试验。

      图  7  (a) 沉积区横截面的宏观形貌;(b) 沉积区宏观组织

      Figure 7.  (a) Cross-section macroscopic morphology of the deposition zone; (b) Macrostructure of the deposition zone

      图8(c)可知,沉积区顶部的等轴晶层高度(约260 μm)大于单道沉积层高度(约86 μm),此结果表明激光沉积第8~10层时,沉积区组织仅有等轴晶。这是因为在激光沉积过程中,随着沉积层数的增加,沉积区热累积不断增多;在沉积区顶部热累积尤为严重,熔池温度梯度G将变得平缓,G/V比值较小,熔池中任何部位都满足等轴晶形核条件[21]

    • 图9(a)基体γ′相形貌图可知,γ′相不均匀地分布在γ相中,形状不规则,呈蝴蝶状或立方状,尺寸约为0.6~1.6 μm。图9(b)为热影响区γ′相形貌图。可以看出,热影响区(图9(b)中虚线下部区域)分布着较多的椭球状γ′相,尺寸约为0.5~0.7 μm。在激光沉积修复过程中,受熔池高温的影响,热影响区的γ′相回溶于基体中,在随后的冷却过程中重新析出。由于激光加热时间较短,使得热影响区冷却速度加快,致使重新析出的γ′相生长时间不充分,故热影响区γ′相呈现椭球状。沉积区枝晶外延区域γ′相形貌如图9(c)所示,观察到枝晶干区域γ′相不均匀地分布在γ基体中,多为椭球状,尺寸约为0.1~0.4 μm;枝晶间区域γ′相同样不均匀地分布在γ相中,形状不规则,尺寸约为0.7~1.1 μm;枝晶间区域γ′相尺寸大于枝晶干区域的γ′相尺寸。枝晶间区域γ′相尺寸较大的原因在于枝晶干与枝晶间的成分和冷却速度不同[22]图10(a)显示了沉积区主要元素的溶质分配系数(Ccore/Cinter),图10(b)为枝晶干与枝晶间区域的溶质浓度差(CcoreCinter)图。由图可知,Al、Ta、Mo、Hf元素的溶质分配系数小于1,表明这些元素主要富集于枝晶间区域,而Co、Cr、W元素溶质分配系数大于1,这些元素主要分布在枝晶干区域。Al和Ta作为γ′相的主要元素,主要集中在枝晶间区域,致使枝晶间区域γ′相尺寸大于枝晶干区域γ′相尺寸。

      图  9  (a) 基体γ'相形貌;(b) 热影响区γ'相形貌;(c) 沉积区枝晶外延区域γ'相形貌

      Figure 9.  (a) γ' morphology of the substrate; (b) γ' morphology of the heat affected zone; (c) γ' morphology of the dendritic epitaxial growth region of deposition zone

      图  10  (a) 沉积区枝晶干与枝晶间区域溶质分配系数;(b) 沉积区枝晶干与枝晶间区域溶质浓度差

      Figure 10.  (a) Partition coefficient between the core-dendritic and inter-dendritic region of deposition zone; (b) Amplitude of solution concentration between the core-dendritic and inter-dendritic region of deposition zone

    • 基体和沉积区不同区域碳化物的能谱分析结果如表3所示。由表3可知,在基体与沉积区的碳化物中,Ta、Hf、C微量元素含量高于其他微量元素含量,而这些元素又是镍基高温合金中MC碳化物的主要形成元素,因此碳化物类别为MC碳化物。

      表 3  基体与沉积区不同区域的碳化物能谱分析(wt.%)

      Table 3.  Energy spectrum analysis of the substrate and different regions of deposition zone (wt.%)

      StationCCrCoNiHfTaTiW
      Substrate5.542.341.8411.557.0671.67--
      Bottom14.641.801.5711.295.6165.10--
      Middle8.584.533.3317.3221.4829.894.755.64
      Top8.562.421.8413.3820.8536.365.945.74

      图11(a)基体MC碳化物分布图可知,基体MC碳化物主要在枝晶间析出。图11(b)、(c)显示了基体和热影响区MC碳化物的微观形貌,可见基体MC碳化物多为长棒状,尺寸超过13 μm;热影响区MC碳化物多为短棒状,尺寸约为2~4 μm。从分析可知,与基体区碳化物尺寸相较,热影响区MC碳化物尺寸变小。热影响区MC碳化物尺寸变小原因在于在激光修复过程中,受熔池高温的影响,热影响区(图11(c)虚线下部区域)中尺寸较大的MC碳化物局部溶解在γ相中[21]

      图  11  (a) 基体碳化物分布;(b) 基体碳化物微观形貌;(c) 热影响区碳化物微观形貌

      Figure 11.  (a) Carbide distributions in the substrate; (b) Carbide morphology of the substrate; (c) Carbide morphology of the heat affected zone

      图12(a)、(b)为沉积区中下部和顶部MC碳化物分布图。可以看出,沉积区中下部MC碳化物呈直线状分布,多在枝晶间区域析出;沉积区顶部MC碳化物随机分布。MC碳化物在枝晶间区域析出主要是因为在沉积冷却阶段,Ta、Hf、C等元素易富集于枝晶间区域,使得枝晶间区域的Ta、Hf、C等元素的浓度不断升高;Ta、Hf、C等元素是MC碳化物的主要元素,当枝晶间液相中Ta、Hf、C等元素的溶质浓度超过溶解度时,将使MC碳化物在枝晶间区域析出[20]

      图  12  (a) 沉积区中下部碳化物分布;(b) 沉积区顶部碳化物分布;(c) 沉积底部碳化物微观形貌;(d) 沉积中部碳化物微观形貌;(e) 沉积顶部碳化物微观形貌;

      Figure 12.  (a) Carbide distributions in middle and lower of the deposition zone; (b) Carbide distributions in top of the deposition zone; (c) Carbide morphologies at the bottom; (d) Carbide morphologies at the middle; (e) Carbide morphologies at the top

      沉积区中下部和顶部MC碳化物的微观形貌分别如图12(c)~(e)所示。由图可知,沉积区底部MC碳化物大部分为短棒状,尺寸约为1~3 μm;沉积区中部和顶部MC碳化物多现小块状和八面体状,尺寸约为0.5~1 μm。在激光沉积过程中,沉积区底部和中部MC碳化物最初为正八面体形核[23],由于沉积层数的增加,沉积区底部热量累积增加,使得碳化物充分生长,MC碳化物核坯顶点会延伸出枝晶臂并不断生长,最后生长为短棒状MC碳化物[24]

      与沉积区底部相比,沉积区中部热量累积相对较少;沉积区顶部散热良好,冷却速率较高。因此,沉积区中部和顶部MC碳化物生长的时间较短,MC碳化物多为小块状或八面体状。

      此外由表3可知,与沉积区中上部相比,沉积区底部MC碳化物中Ta元素的含量较高,Hf元素的含量较低。这是因为与DZ125高温合金相比,DD5合金中Ta元素含量较高,Hf元素的含量相对较低,致使沉积区底部析出的MC碳化物中Ta元素的含量较高,Hf元素的含量偏低。

    • 图13(a)、(b)分别为单道10层沉积试样由基体到沉积区顶部的显微硬度分布、不同区域的平均显微硬度图。由图13(a)可以看出,沉积区顶部、中部以及顶部的显微硬度略有差异,但各区显微硬度较为稳定;相对于沉积区中部,沉积区底部和顶部显微硬度略高,沉积区底部显微硬度最高,沉积区底部显微硬度最高表明基体与沉积区的结合强度相对较高。由图13(b)可见,基体和沉积区平均显微硬度分别为425 HV0.5和449 HV0.5,沉积区显微硬度略高于基体。

      图  13  (a) 基体与沉积区显微硬度;(b)平均显微硬度

      Figure 13.  (a) Microhardness of substrate and deposition zone; (b) Average microhardness

      沉积区不同区域显微硬度存在差异的原因在于沉积区MC碳化物元素含量和分布密度的差异。由表3可知,沉积区中部和顶部MC碳化物中各元素含量相近,而沉积区底部MC碳化物中Ta元素的含量较高。在镍基高温合金中,MC碳化物分为TaC、NbC、TiC型,其中TaC为强碳化物,且碳化物强度与Ta元素量正相关[25]

      由于沉积区底部MC碳化物中Ta元素的含量较沉积区中上部较高,故沉积区底部显微硬度高于沉积区中上部。由图12(a)、(b)可知,沉积区中部MC碳化物多分布于枝晶间,沉积区顶部MC碳化物随机分布,单位面积内沉积区顶部MC碳化物的分布密度相对较高。由于MC碳化物具有一定的强化作用,且MC碳化物分布密度高的区域显微硬度相对较高[26],因此沉积区顶部显微硬度略高于沉积区中部。

    • (1) 激光功率和送粉量对沉积区枝晶外延占比影响显著,降低热输入量和送粉量可有效提高沉积区枝晶外延占比。当激光功率为420 W、扫描速度为6 mm/s、送粉量为1.5 g/min时,单层沉积区枝晶外延占比约为100%。

      (2) 单道10层沉积区中下部为平面晶和沿沉积高度方向外延生长的柱状晶,平均一次枝晶间距为6.84 μm,顶部为等轴晶。由于Al、Ta微量元素富集于枝晶间区域,使得枝晶间区域γ′相尺寸大于枝晶干区域γ′相尺寸。

      (3) 受熔池高温的影响,热影响区MC碳化物溶解于基体中,尺寸变小。沉积区中下部的MC碳化物沿枝晶间分布,顶部的MC碳化物随机分布。与沉积区顶部相比,沉积区中下部的热累积效应显著,故沉积区中下部MC碳化物形状多为短棒状,沉积区顶部MC碳化物多现小块状以及八面体状。

      (4) 沉积区的平均显微硬度略高于基体;与沉积区中部相比,沉积区底部和顶部的显微硬度略高,沉积区底部显微硬度最高。

参考文献 (26)

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