Inconel625合金等離子弧快速成形組織控制及工藝優(yōu)化.pdf

1、弧焊快速成形技術(shù)作為金屬零件直接成形的一種典型工藝,同其它成形技術(shù)相比,具有成形零件致密度高、成本低和效率高等優(yōu)點(diǎn),是最有希望實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量金屬零件經(jīng)濟(jì)、快速制造的方法之一。但在連續(xù)的熱循環(huán)作用下,零件內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變復(fù)雜,主要體現(xiàn)在組織粗大、不均勻以及嚴(yán)重的成分偏析。這不僅大大增加了控制零件性能的難度,也是制約該技術(shù)廣泛應(yīng)用的一個(gè)主要原因。鎳基合金具有良好的組織穩(wěn)定性、高溫強(qiáng)度、高溫疲勞蠕變性能等優(yōu)異的機(jī)械性能,在航空航天、核工業(yè)、能源動(dòng)力等

2、眾多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而這類合金零件往往形狀復(fù)雜,制造工序繁瑣,生產(chǎn)成本高。因此,利用弧焊快速成形技術(shù)直接成形鎳基高溫合金零件具有突出的技術(shù)優(yōu)越性和廣闊的應(yīng)用前景。
　　本文以脈沖等離子弧快速成形技術(shù)為研究對(duì)象,以Inconel625合金為成形材料,分析了工藝參數(shù)、沉積方式、沉積路徑以及熱處理方式對(duì)薄壁和塊體試樣的快速成形組織及性能的影響,旨在提高快速成形零件的質(zhì)量。該問(wèn)題的研究將為鎳基合金的廣泛應(yīng)用提供一種比較成熟優(yōu)異的加工方法。

3、
　　研究了等離子弧快速成形Inconel625合金典型的沉積態(tài)組織特征,利用成分過(guò)冷理論并結(jié)合快速成形熱過(guò)程,分析了組織中枝晶生長(zhǎng)和相析出機(jī)制。分析了工藝參數(shù)對(duì)沉積態(tài)組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律,最終在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)獲得了最優(yōu)的工藝參數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)沉積態(tài)組織為柱狀枝晶形態(tài),沿著沉積高度方向,具有較強(qiáng)生長(zhǎng)取向性的外延枝晶組織特征;析出相為γ相、Laves相和MC碳化物;低的線能量密度有利于細(xì)化組織,減弱元素的顯微偏析,保持柱狀枝晶組織生

4、長(zhǎng)的連續(xù)性,從而有效提高力學(xué)性能。
　　利用紅外測(cè)溫和有限元模擬方法研究了連續(xù)沉積和間隔冷卻沉積方式條件下薄壁和塊體試樣由底部到頂部的組織特征及性能變化規(guī)律。重點(diǎn)總結(jié)了兩種條件下試樣底部到頂部成形過(guò)程中溫度梯度和冷卻速率的演變規(guī)律,揭示了溫度場(chǎng)分布特征對(duì)兩種試樣沉積態(tài)組織的影響機(jī)制。通過(guò)對(duì)沉積態(tài)試樣的顯微硬度和拉伸性能進(jìn)行表征,分析了兩種試樣整體力學(xué)性能的均勻性以及兩種沉積方式對(duì)力學(xué)性能的影響規(guī)律,從而建立組織特征和力學(xué)性能的對(duì)應(yīng)

5、關(guān)系。結(jié)果表明,在連續(xù)沉積過(guò)程中,熱量的不斷積累導(dǎo)致溫度梯度和冷卻速率不斷下降,試樣從底部到頂部,組織逐漸粗化,析出相數(shù)量增多且尺寸變大,力學(xué)性能嚴(yán)重不均。間隔冷卻方式可降低熱量積累,提高組織和性能的均勻性,從而獲得更優(yōu)異的力學(xué)性能。兩種試樣的組織性能對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn),連續(xù)沉積塊體試樣時(shí),更加復(fù)雜的熱循環(huán)導(dǎo)致了大量針狀δ相的生成,從而嚴(yán)重影響了力學(xué)性能。在相同沉積方式條件下,薄壁試樣的力學(xué)性能要優(yōu)于塊體試樣。
　　采用KGT模型預(yù)測(cè)了

6、溫度梯度、枝晶生長(zhǎng)速率同枝晶間隙的關(guān)系;利用Clyne-Kurz公式計(jì)算了兩種沉積方式下凝固過(guò)程中Nb的偏析,并進(jìn)一步分析了Inconel625合金快速成形的凝固過(guò)程。結(jié)果表明,隨著枝晶生長(zhǎng)速率和溫度梯度的降低,枝晶尖端半徑不斷增加,而枝晶間距也隨之增加,枝晶間距接近2~3R,計(jì)算結(jié)果和測(cè)量結(jié)果得到了較好的吻合,而Nb的偏析量隨著凝固過(guò)程的進(jìn)行呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì),在凝固開(kāi)始階段,冷卻速率對(duì)Nb的偏析影響較小,Nb偏析量的增加主要集中在凝

7、固的結(jié)束階段。
　　研究了四種沉積路徑(包括長(zhǎng)光柵、短光柵、正反交替以及交叉路徑)對(duì)塊體試樣組織及性能的影響規(guī)律,利用建立的組織生長(zhǎng)模型,揭示了不同沉積路徑的組織生長(zhǎng)機(jī)制。結(jié)果表明,在四種沉積路徑中,正反交替路徑可獲得最佳的成形質(zhì)量和力學(xué)性能,交叉路徑雖然促進(jìn)了層內(nèi)區(qū)域細(xì)小枝晶的生成和Laves相的彌散析出,但在層與層邊界處,嚴(yán)重的元素偏析,大量脆性相的析出以及枝晶的粗化是力學(xué)性能沒(méi)有大幅度提高的根本原因。此外,沉積路徑對(duì)組織特征

8、的影響機(jī)理主要表現(xiàn)為不同的熱輸入和散熱方向,導(dǎo)致了溫度梯度的變化,從而影響組織生長(zhǎng)特征。
　　進(jìn)一步研究了直接時(shí)效、固溶時(shí)效、均勻化固溶時(shí)效處理以及固溶溫度和時(shí)間對(duì)薄壁和塊體試樣組織和力學(xué)性能的影響,以及兩種試樣在相同熱處理?xiàng)l件下組織和性能的差別,從而獲得了最佳的熱處理工藝。重點(diǎn)研究了在不同熱處理過(guò)程中析出相的轉(zhuǎn)變機(jī)理,包括Laves相的溶解行為,強(qiáng)化相γ′,γ″以及δ相的析出機(jī)制。最后,對(duì)優(yōu)化后的熱處理態(tài)和沉積態(tài)試樣高溫拉伸性能