定向凝固镍基高温合金上激光熔覆Inconel738的裂纹敏感性研究
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图 4a为在定向凝固镍基高温合金基体上激光 熔覆 Inconel 738的裂纹断口形貌。图 4b 为裂纹断 口取样时产生的机械断口形貌。从图 4a可以看出, 尽管断口表面凹凸不平, 但是晶粒表面却相当平整 光滑, 断口上柱状晶的方向与轮廓清晰可见, 无固态 下机械断裂时断口的撕裂变形痕迹, 裂纹具有典型 的热裂纹特征。
图 3 多层熔覆层中的裂纹现象 ( a) 低倍形貌; ( b) 高倍形貌
F ig. 3 Crack ing phenom enon in the m ult-i pass depo sited laye rs ( a) m acroscop ic mo rpho logy; ( b) m icroscop ic m orpho logy
纹的分布和形貌可以看出, 熔覆层中的裂纹是在激 光熔覆的凝固过程中产生的, 具有典型的沿晶热裂 特征。图 3b为激光熔覆 Inconel 738熔覆层的层间 裂纹形貌。与高温合金基体粗大的定向凝固组织不 同, 激光熔覆由于具有快速加热快速冷却的特点, 获 得的熔覆层定向组织致密细小, 枝晶间距比定向凝 固高温合金基体小两个数量级, 因此枝晶间的偏析 并不明显, 组织分布较均匀。但是在 Inconel 738熔 覆层中仍存在着热裂纹, 裂纹在上下两层熔覆层中 均沿细密的定向组织晶界扩展, 在两层熔覆层的交 界面上方向发生改变。
第 25卷 第 2期 2005年 4月
航空材料学报
JOURNAL OF A ERONAUT ICAL MAT ER IA LS
V o.l 25, N o. 2 Apr il 2005
定向凝固镍基高温合金上 激光熔覆 Inconel 738的裂纹敏感性研究
孙鸿卿, 钟敏霖, 刘文今, 何金江, 李晓莉, 朱晓峰
图 2 激光熔覆层与基体界面处的典型裂纹形貌 ( a)裂纹沿晶界的扩展; ( b) 裂纹边缘析出物
F ig. 2 T yp ica l cracking mo rpho logy in the inte rface between the substrate and the cladding layer ( a) extend ing a long the g ra in boundary; ( b) prec ip itated phases on the edg es of cracks
表 1 实验用 Inconel 738高温合金粉末的化 学成分 /w t% T able 1 Chem ical com po sition o f Inconel 738 high tem pera ture
N -i bsea superalloy ( w t% ) fo r the expe rim en ts
E lem ent A l T i Cr Co N i M o T a
A 3. 76 51. 69 0. 26 0. 98 7. 08 1. 26 34. 67
B 3. 03 47. 38 1. 30 1. 80 4. 50 1. 53 39. 97
图 3a为在定向凝固镍基高温合金基体上进行 激光多层熔覆 Incone l 738的结果。实验选用的工 艺参数为激光功率 P = 1000W, 扫描速度 v = 012m / m in, 光斑直径 D = 2mm。可以看出, Incone l 738熔 覆层和定向凝固基体形成了良好的冶金结合。熔覆 层中裂纹数量众多, 主要分布在基体的交界面和熔 覆层中部, 大多数裂纹均为纵向生长。多层熔覆层 内部的裂纹往往起始于各熔覆层的交界面处, 沿晶 界纵向扩展, 并于其他熔覆层交界面处截止。从裂
so lidified N -i base a lloy substrate
图 2a和 b为激光熔覆层与基体界面处的典型 裂纹形貌。可以看出, 激光熔覆热循环过程中基体 热影响区晶间低熔点相在激光熔覆过程中发生了熔 化, 冷却凝固过程无法弥合导致了裂纹的产生, 裂纹 从基体一侧直接沿晶界扩展到了熔覆层中。在裂纹 边缘和裂纹内部有白色块状析出物 ( 图 2b中 A 和 B) 。利用 EDX 分析这些析出物的化学成分, 结果 示于表 3。对比定向凝固高温镍基合金的成分和相 结构, 可以分析出这些细小的白色块状析出物为 T i 和 T a 含量较高的 MC( 1) 型碳化物。同时发现有细 小的带状物沿裂纹边缘分布 ( 图 2b C) , 利用背散射 分析发现其化学成分与基体的化学成分类似, 应为 ( C+ Cc) 共晶物。因此, 激光熔覆 定向凝固镍基合 金基体界面处的裂纹应属于热裂纹范畴。
1 实验方法
实验采用 PRC3000型 3kW 快轴流 CO2 激光器
进行激光熔覆, 系统还包括一个自动正压送粉器和 有保护气帘的同轴送粉喷嘴。实验主要工艺参数范
第 2期
定向凝固镍基高温合金上激光熔覆 Inconel 738的裂纹敏感性研究
27
围为: 激光光束直径 2 ~ 3mm, 激光器输出功率 014 ~ 112kW, 扫 描速 度 011 ~ 014m /m in, 送粉 量 2 ~ 6g /m in, 搭接率 1 /3~ 1 / 2, N2 保护, 保护气流量 300 ~ 500L / h。
28
航 空 材 料 学报
第 25卷
表 3 定向凝固基体热影响区晶界裂纹析出物化学成分 /at% T able 3 Chem ical com position of the prec ip itated phase near the cracks in the hea t affected gra in boundary of the directionally so lid ified substrate / at%
C Cr Co M o W T a N b A l T i Zr N i
0. 1 15. 86 8. 38 1. 92 2. 55 1176 0. 88 3. 45 3. 55 0. 05 Ba l
表 2 实验用定向凝固高温合金的化学成分 /w t% T able 2 Chem ical com po sition o f the directionally so lid ified
图 4 激光熔覆层裂纹断口形貌 ( a)和机械断口形貌 ( b) F ig14 Fracture m orpho logy ( a) c rack in the c ladding laye r ( b) m echanical frac ture
纹, 热裂纹沿晶界纵向扩展。定向凝固高温合金基体晶界处的低熔共晶成为主 要的裂纹源 。严格控制 激光熔覆过 程中的热输入量可以显 著降低裂纹敏感性。选择适当的熔覆 工艺方 法和参 数可以 在定向 凝固镍基 合金基 体上形
成良好冶金结合且无裂 纹的基本保持定向凝固特性的熔覆层组织。
关键词: 激光熔覆; 镍基高温合金 ; 热裂纹; 定向凝固
收稿日期: 2004-09-21; 修订日期: 2004-12-14 作者简介: 孙鸿卿 ( 1980-), 男, 硕士研究生, ( E-m a il) zhm @l tsinghua. edu. cn
焊接时热裂敏感性也很高 [ 4, 5] 。激光熔覆具有局部 加热和低热输入量等优点, 同时, 激光熔覆超高的温 度梯度有利于材料的定向凝固生长 [ 6 ] , 因此被认为 是一种最佳的高温合金叶片修复方法。近年来, 国 内外对高温合金的激光熔覆和多层熔覆直接制造已 有广泛的研 究 [ 7~ 9] 。 D av id W. G andy 等 人 [ 8] 的研 究工作指出, 激光熔覆在修复裂纹敏感性较大的镍 基高温合金叶片上与传统的焊接工艺相比有很多优 势。通过严格控制热输入量, 实现了 IN-738基体上 激光熔覆逐层沉积 IN-939, 获得了质量良好的沉积 层。 L1Sex ton 等人 [ 9] 采 用 Inconel 625和 R ene 142 镍基高温合金进行激光熔覆修复叶片, 指出激光熔 覆层比 T IG 涂层具有较小的热影响区和稀释率, 良 好的微观组织、较高的硬度和较低的气孔率。激光 熔覆用于叶片修复在国内 外已有应用实 例, 如 GE 公司已将激光熔覆技术用于航空发动机镍基高温合 金叶片的修复, 获得了很好的效果。但定向凝固镍 基高温合金叶片的激光熔覆修复, 由于低熔共晶造 成的热裂纹倾向极大, 技术难度很大, 需要进行深入 的研究。本研究的重点在定向凝固镍基高温合金上 激光熔覆 Inconel 738的裂纹敏感性问题。
实验所用粉末为 Inconel 738高温合金粉末, 化 学成分示于表 1。基材为尺寸 30mm @ 30 mm @ 4mm 的定向凝固镍基高温合金, 化学成分示 于表 2。根 据柱状晶生长特点, 在基 材的择优晶面 ( 100) 上进 行激光熔覆实验。实验后利用线切割切取熔覆层的 横、纵截面, 通过研磨、抛光和腐蚀制备金相式样, 在 光学显微镜和扫描电镜上进行显微组织的观察, 利 用能谱仪分析熔覆层的成分, 利用 X 射线衍射仪进 行物相分析。着重分析了基体组织状态、材料和工 艺参数对裂纹的影响和作用。
中图分类号: TG132. 32; V 261. 8
文献标识码: A
文章编号: 1005-5053( 2005) 02-0026-06
定向凝固镍基高温合金由于消除了垂直于应力 轴的横向晶界, 具有很高的高温强度、抗蠕变和持久 性能、热疲劳性能、塑性以及良好的振动阻尼效果, 用其制作的涡轮叶片和导向叶片纵向比普通精密铸 造叶片具有更强的力学性能, 目前在先进的航空发 动机上得到越来越广 泛的应用 [ 1 ] 。定向凝固叶片 在生产过程中可能存在局部缺陷, 这些缺陷如果是 在叶片的关键部位, 如叶片顶部和中部将会严重影 响叶片的性能, 需要用机械方法去掉这些缺陷后再 设法恢复。定向凝固叶片价格昂贵, 修复叶片具有 重要的意义。
N -i base alloy ( w t% ) fo r the expe rim ents
C r Co T i A l W M o Ta N i
14 10 2. 7 4 4. 3 1. 5 4. 7 Ba l
2 实验结果与讨论
2. 1 定向凝固镍基合金在激光熔覆时的裂纹现象 实验所用 定向凝固镍基高温合金基体中含有
定向凝固高温合金的铸造组织晶粒粗大、合金 元素偏析严重、沉淀强化合金元素 ( A ,l T i等 ) 含量 高, 常规方法堆焊过程中热输入量较大、热影响区极 易出现热裂纹, 可焊性极差, 同时高热输入使叶片局 部发生重结晶从而破坏叶片的定向凝固特性, 影响 使用寿命, 因此利用传统的方法难以修复 [ 2, 3] 。 Incone l 738是一种沉淀强化镍基高温合金, 由于具有 很高的高温强度和优异的热腐蚀抗性, 广泛应用于 燃气轮机高温零件, 其主要强化相是 L12 型 N i3 ( A ,l T i) Cc相, 和其 他沉淀 强化镍 基高 温合 金类似, Incone l 738的 A l和 T i含量较高 ( > 6 w %t ) , 因此在
(清华大学 机械工程系激光加工研究中心, 北京 100084)
摘要: 针对定向凝固镍基高温合金叶片的 强化与 修复需 求, 研 究了在 定向凝 固镍基 高温合金 基体上 激光 熔覆 Inconel 738的裂纹敏感性问题。在定向凝固镍基高温合金基体上激 光熔覆 Incone l 738合金对裂纹非常敏感, 所产生 的裂纹为热裂纹, 由定向凝固基体晶界处引发并穿过界 面向熔 覆层发 展; 多 层熔覆 过程中 熔覆层间 也会产 生热裂
C r, Co, T ,i A ,l T a和W等多种合金元素, 是一种高合
金化的铸造高温合金。其铸态组织主要由 Cc、( C+ Cc)共晶、C基体和 M C 型碳化物等组成。图 1为定 向凝固高温合金基体的形貌, 铸造组织较为粗大, 晶 界上富集了较多的白色低熔共晶物。
图 1 定向凝固高温合金基体组织 F ig. 1 M icrostrwk.baidu.comcture of the directionally
图 3 多层熔覆层中的裂纹现象 ( a) 低倍形貌; ( b) 高倍形貌
F ig. 3 Crack ing phenom enon in the m ult-i pass depo sited laye rs ( a) m acroscop ic mo rpho logy; ( b) m icroscop ic m orpho logy
纹的分布和形貌可以看出, 熔覆层中的裂纹是在激 光熔覆的凝固过程中产生的, 具有典型的沿晶热裂 特征。图 3b为激光熔覆 Inconel 738熔覆层的层间 裂纹形貌。与高温合金基体粗大的定向凝固组织不 同, 激光熔覆由于具有快速加热快速冷却的特点, 获 得的熔覆层定向组织致密细小, 枝晶间距比定向凝 固高温合金基体小两个数量级, 因此枝晶间的偏析 并不明显, 组织分布较均匀。但是在 Inconel 738熔 覆层中仍存在着热裂纹, 裂纹在上下两层熔覆层中 均沿细密的定向组织晶界扩展, 在两层熔覆层的交 界面上方向发生改变。
第 25卷 第 2期 2005年 4月
航空材料学报
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定向凝固镍基高温合金上 激光熔覆 Inconel 738的裂纹敏感性研究
孙鸿卿, 钟敏霖, 刘文今, 何金江, 李晓莉, 朱晓峰
图 2 激光熔覆层与基体界面处的典型裂纹形貌 ( a)裂纹沿晶界的扩展; ( b) 裂纹边缘析出物
F ig. 2 T yp ica l cracking mo rpho logy in the inte rface between the substrate and the cladding layer ( a) extend ing a long the g ra in boundary; ( b) prec ip itated phases on the edg es of cracks
表 1 实验用 Inconel 738高温合金粉末的化 学成分 /w t% T able 1 Chem ical com po sition o f Inconel 738 high tem pera ture
N -i bsea superalloy ( w t% ) fo r the expe rim en ts
E lem ent A l T i Cr Co N i M o T a
A 3. 76 51. 69 0. 26 0. 98 7. 08 1. 26 34. 67
B 3. 03 47. 38 1. 30 1. 80 4. 50 1. 53 39. 97
图 3a为在定向凝固镍基高温合金基体上进行 激光多层熔覆 Incone l 738的结果。实验选用的工 艺参数为激光功率 P = 1000W, 扫描速度 v = 012m / m in, 光斑直径 D = 2mm。可以看出, Incone l 738熔 覆层和定向凝固基体形成了良好的冶金结合。熔覆 层中裂纹数量众多, 主要分布在基体的交界面和熔 覆层中部, 大多数裂纹均为纵向生长。多层熔覆层 内部的裂纹往往起始于各熔覆层的交界面处, 沿晶 界纵向扩展, 并于其他熔覆层交界面处截止。从裂
so lidified N -i base a lloy substrate
图 2a和 b为激光熔覆层与基体界面处的典型 裂纹形貌。可以看出, 激光熔覆热循环过程中基体 热影响区晶间低熔点相在激光熔覆过程中发生了熔 化, 冷却凝固过程无法弥合导致了裂纹的产生, 裂纹 从基体一侧直接沿晶界扩展到了熔覆层中。在裂纹 边缘和裂纹内部有白色块状析出物 ( 图 2b中 A 和 B) 。利用 EDX 分析这些析出物的化学成分, 结果 示于表 3。对比定向凝固高温镍基合金的成分和相 结构, 可以分析出这些细小的白色块状析出物为 T i 和 T a 含量较高的 MC( 1) 型碳化物。同时发现有细 小的带状物沿裂纹边缘分布 ( 图 2b C) , 利用背散射 分析发现其化学成分与基体的化学成分类似, 应为 ( C+ Cc) 共晶物。因此, 激光熔覆 定向凝固镍基合 金基体界面处的裂纹应属于热裂纹范畴。
1 实验方法
实验采用 PRC3000型 3kW 快轴流 CO2 激光器
进行激光熔覆, 系统还包括一个自动正压送粉器和 有保护气帘的同轴送粉喷嘴。实验主要工艺参数范
第 2期
定向凝固镍基高温合金上激光熔覆 Inconel 738的裂纹敏感性研究
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围为: 激光光束直径 2 ~ 3mm, 激光器输出功率 014 ~ 112kW, 扫 描速 度 011 ~ 014m /m in, 送粉 量 2 ~ 6g /m in, 搭接率 1 /3~ 1 / 2, N2 保护, 保护气流量 300 ~ 500L / h。
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航 空 材 料 学报
第 25卷
表 3 定向凝固基体热影响区晶界裂纹析出物化学成分 /at% T able 3 Chem ical com position of the prec ip itated phase near the cracks in the hea t affected gra in boundary of the directionally so lid ified substrate / at%
C Cr Co M o W T a N b A l T i Zr N i
0. 1 15. 86 8. 38 1. 92 2. 55 1176 0. 88 3. 45 3. 55 0. 05 Ba l
表 2 实验用定向凝固高温合金的化学成分 /w t% T able 2 Chem ical com po sition o f the directionally so lid ified
图 4 激光熔覆层裂纹断口形貌 ( a)和机械断口形貌 ( b) F ig14 Fracture m orpho logy ( a) c rack in the c ladding laye r ( b) m echanical frac ture
纹, 热裂纹沿晶界纵向扩展。定向凝固高温合金基体晶界处的低熔共晶成为主 要的裂纹源 。严格控制 激光熔覆过 程中的热输入量可以显 著降低裂纹敏感性。选择适当的熔覆 工艺方 法和参 数可以 在定向 凝固镍基 合金基 体上形
成良好冶金结合且无裂 纹的基本保持定向凝固特性的熔覆层组织。
关键词: 激光熔覆; 镍基高温合金 ; 热裂纹; 定向凝固
收稿日期: 2004-09-21; 修订日期: 2004-12-14 作者简介: 孙鸿卿 ( 1980-), 男, 硕士研究生, ( E-m a il) zhm @l tsinghua. edu. cn
焊接时热裂敏感性也很高 [ 4, 5] 。激光熔覆具有局部 加热和低热输入量等优点, 同时, 激光熔覆超高的温 度梯度有利于材料的定向凝固生长 [ 6 ] , 因此被认为 是一种最佳的高温合金叶片修复方法。近年来, 国 内外对高温合金的激光熔覆和多层熔覆直接制造已 有广泛的研 究 [ 7~ 9] 。 D av id W. G andy 等 人 [ 8] 的研 究工作指出, 激光熔覆在修复裂纹敏感性较大的镍 基高温合金叶片上与传统的焊接工艺相比有很多优 势。通过严格控制热输入量, 实现了 IN-738基体上 激光熔覆逐层沉积 IN-939, 获得了质量良好的沉积 层。 L1Sex ton 等人 [ 9] 采 用 Inconel 625和 R ene 142 镍基高温合金进行激光熔覆修复叶片, 指出激光熔 覆层比 T IG 涂层具有较小的热影响区和稀释率, 良 好的微观组织、较高的硬度和较低的气孔率。激光 熔覆用于叶片修复在国内 外已有应用实 例, 如 GE 公司已将激光熔覆技术用于航空发动机镍基高温合 金叶片的修复, 获得了很好的效果。但定向凝固镍 基高温合金叶片的激光熔覆修复, 由于低熔共晶造 成的热裂纹倾向极大, 技术难度很大, 需要进行深入 的研究。本研究的重点在定向凝固镍基高温合金上 激光熔覆 Inconel 738的裂纹敏感性问题。
实验所用粉末为 Inconel 738高温合金粉末, 化 学成分示于表 1。基材为尺寸 30mm @ 30 mm @ 4mm 的定向凝固镍基高温合金, 化学成分示 于表 2。根 据柱状晶生长特点, 在基 材的择优晶面 ( 100) 上进 行激光熔覆实验。实验后利用线切割切取熔覆层的 横、纵截面, 通过研磨、抛光和腐蚀制备金相式样, 在 光学显微镜和扫描电镜上进行显微组织的观察, 利 用能谱仪分析熔覆层的成分, 利用 X 射线衍射仪进 行物相分析。着重分析了基体组织状态、材料和工 艺参数对裂纹的影响和作用。
中图分类号: TG132. 32; V 261. 8
文献标识码: A
文章编号: 1005-5053( 2005) 02-0026-06
定向凝固镍基高温合金由于消除了垂直于应力 轴的横向晶界, 具有很高的高温强度、抗蠕变和持久 性能、热疲劳性能、塑性以及良好的振动阻尼效果, 用其制作的涡轮叶片和导向叶片纵向比普通精密铸 造叶片具有更强的力学性能, 目前在先进的航空发 动机上得到越来越广 泛的应用 [ 1 ] 。定向凝固叶片 在生产过程中可能存在局部缺陷, 这些缺陷如果是 在叶片的关键部位, 如叶片顶部和中部将会严重影 响叶片的性能, 需要用机械方法去掉这些缺陷后再 设法恢复。定向凝固叶片价格昂贵, 修复叶片具有 重要的意义。
N -i base alloy ( w t% ) fo r the expe rim ents
C r Co T i A l W M o Ta N i
14 10 2. 7 4 4. 3 1. 5 4. 7 Ba l
2 实验结果与讨论
2. 1 定向凝固镍基合金在激光熔覆时的裂纹现象 实验所用 定向凝固镍基高温合金基体中含有
定向凝固高温合金的铸造组织晶粒粗大、合金 元素偏析严重、沉淀强化合金元素 ( A ,l T i等 ) 含量 高, 常规方法堆焊过程中热输入量较大、热影响区极 易出现热裂纹, 可焊性极差, 同时高热输入使叶片局 部发生重结晶从而破坏叶片的定向凝固特性, 影响 使用寿命, 因此利用传统的方法难以修复 [ 2, 3] 。 Incone l 738是一种沉淀强化镍基高温合金, 由于具有 很高的高温强度和优异的热腐蚀抗性, 广泛应用于 燃气轮机高温零件, 其主要强化相是 L12 型 N i3 ( A ,l T i) Cc相, 和其 他沉淀 强化镍 基高 温合 金类似, Incone l 738的 A l和 T i含量较高 ( > 6 w %t ) , 因此在
(清华大学 机械工程系激光加工研究中心, 北京 100084)
摘要: 针对定向凝固镍基高温合金叶片的 强化与 修复需 求, 研 究了在 定向凝 固镍基 高温合金 基体上 激光 熔覆 Inconel 738的裂纹敏感性问题。在定向凝固镍基高温合金基体上激 光熔覆 Incone l 738合金对裂纹非常敏感, 所产生 的裂纹为热裂纹, 由定向凝固基体晶界处引发并穿过界 面向熔 覆层发 展; 多 层熔覆 过程中 熔覆层间 也会产 生热裂
C r, Co, T ,i A ,l T a和W等多种合金元素, 是一种高合
金化的铸造高温合金。其铸态组织主要由 Cc、( C+ Cc)共晶、C基体和 M C 型碳化物等组成。图 1为定 向凝固高温合金基体的形貌, 铸造组织较为粗大, 晶 界上富集了较多的白色低熔共晶物。
图 1 定向凝固高温合金基体组织 F ig. 1 M icrostrwk.baidu.comcture of the directionally