GH4169簡介：

GH4169合金在-253～700℃溫度范圍內(nèi)具有良好的綜合性能，650℃以下的屈服強(qiáng)度居變形高溫合金的，并具有良好的耐輻射、耐氧化、耐腐蝕性能，以及良好的加工性能、焊接性能良好。能夠制造形狀復(fù)雜的零部件

該合金的另一特點(diǎn)是合金組織對熱加工工藝特別敏感，掌握合金中相析出和溶解規(guī)律及組織與工藝、性能的相互關(guān)系，可針對不同的使用要求制定合理、可行的工藝規(guī)程，就能獲得可滿足不同強(qiáng)度級別和使用要求的零件。機(jī)匣等零部件長期使用。

GH4169 的化學(xué)成分:

GH4169物理性能：

GH4169特性：

GH4169是Ni-Cr-Fe基沉淀硬化型變形高溫合金，長時使用溫度范圍-235°C～650°C,短時使用溫度可達(dá)800°C。合金在650°C以下強(qiáng)度較高

，具有良好的抗疲勞﹑抗輻射﹑抗氧化和耐腐蝕性能，以及良好的加工性能﹑焊接性能和長期組織穩(wěn)定性。

GH4169 應(yīng)用：

合金已用于制作航空發(fā)動機(jī)、環(huán)件、機(jī)匣、軸、葉片、緊固件、彈性元件、燃?xì)鈱?dǎo)管、密封元件和焊接結(jié)構(gòu)件等；制作液氫、制作核能工業(yè)應(yīng)

用的各種彈性元件和格架；制作石油和化工領(lǐng)域應(yīng)用的多種零件。

摘 要：目的 減輕不同熱處理狀態(tài)下激光增材制造高 Nb 含量 GH4169 合金組織中的微觀偏析。方法 采用激光增材制造方法對球磨 Nb 合金化后的合金粉末進(jìn)行快速成形，獲得具有較高 Nb 含量的 GH4169 合金試樣。

通過光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡及能譜分析、維氏硬度測試方法，對沉積態(tài)、固溶態(tài)和直接時效態(tài)試樣進(jìn)行分析，研究因合金中 Nb 含量變化引起的微觀偏析對沉積態(tài)和熱處理態(tài)合金的枝晶組織和顯微硬度的影響。

結(jié)果 隨著 Nb 含量的增加，一方面，由于枝晶間的 Nb 含量增加，枝晶間（γ+Laves）共晶數(shù)量增加，且共晶組織形貌更為連續(xù)；沉積態(tài)試樣的顯微硬度由 228.4HV 增大至 534.1HV。另一方面，枝晶干 Nb元素含量增加，枝晶干與枝晶間 Nb 元素含量的差異縮小，Nb 元素的偏析比由 8.59 減小至 4.13。

后續(xù)固溶處理后，枝晶結(jié)構(gòu)逐漸消失，枝晶間 Laves 相的數(shù)量隨之減少，枝晶干與枝晶間的微觀偏析減輕；固溶態(tài)試樣硬度值隨之減小，減小趨勢隨固溶溫度的升高而逐漸平緩。

隨著 Nb 含量的增加，直接時效處理后，各試樣顯微硬度值在微觀區(qū)域內(nèi)的均勻性提高，枝晶干與枝晶間強(qiáng)化相的析出差異減小。

結(jié)論 合適的熱處理制度既可以實(shí)現(xiàn)合金元素的均勻化，還能減小枝晶干與枝晶間強(qiáng)化相的析出差異，減輕激光增材制造高 Nb 含量 GH4169 合金組織中的微觀偏析。

GH4169（國外牌號為 Inconel 718）合金是一種鎳鐵基變形高溫合金，具有良好的焊接性能和抗腐蝕性、良好的熱加工性能、較高的強(qiáng)度，是航空航天及石油化工、冶金礦山應(yīng)用的關(guān)鍵性材料。隨著我國航空航天技術(shù)的發(fā)展，幾何形狀多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能優(yōu)異的高溫合金結(jié)構(gòu)件需求量也日益增大。目前的鍛造工藝還很難滿足幾何形狀復(fù)雜、尺寸精密等要求，這在一定程度上限制了 GH4169 合金的發(fā)展與應(yīng) 用。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)、機(jī)械工程技術(shù)及 CAD/CAM 技術(shù)的發(fā)展，20 世紀(jì) 80、90 年代誕生了以激光熔覆技術(shù)和快速成形技術(shù)為基礎(chǔ)的金屬零件激光增材制造技術(shù)，這為獲得高性能的高溫合金開拓了新途徑[3-4]。

激光增材制造 GH4169 合金熔池凝固速度快，避免了材料中合金元素的宏觀偏析[5-10]，但是激光增材制造 GH4169 合金組織的亞結(jié)構(gòu)為枝晶結(jié)構(gòu)，枝晶間主要為(γ+Laves)共晶組織。特別地，GH4169 合金激光熔池在凝固末期形成了富含 Nb 的脆性 Laves 相，該相中 Nb 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到 22.4%[11]，而基體 γ 相中Nb 元素的含量大大低于枝晶間。

因此在微觀枝晶亞結(jié)構(gòu)中，Nb 元素的偏析現(xiàn)象依然存在。Nb 是 GH4169合金中主要強(qiáng)化相 γ的主要形成元素，強(qiáng)化相的析出尺寸、位置與數(shù)量都直接影響著 GH4169 合金的使用性能。

Sui 等人[12-14]利用激光修復(fù)技術(shù)，較為系統(tǒng)地研究了 GH4169 合金修復(fù)件的組織與性能變化規(guī)律。

'研究發(fā)現(xiàn)，修復(fù)區(qū)沉積態(tài)顯微結(jié)構(gòu)為枝晶結(jié)構(gòu)，基材區(qū)為鍛態(tài)等軸晶。經(jīng)過直接時效處理后，強(qiáng)化相的分布均勻性也不相同，其中修復(fù)區(qū)的強(qiáng)化相 γ主要分布在 Nb 含量較高的枝晶間區(qū)域，而枝晶干區(qū)域很少有強(qiáng)化相 γ析出，甚至沒有強(qiáng)化相析出。

可見，GH4169中 Nb 元素的含量，尤其是 Nb 元素的偏析程度、枝晶干的 Nb 含量對 GH4169 合金的性能起到至關(guān)重要的作用。

為了更好地發(fā)揮合金組織和力學(xué)性能潛力，國內(nèi)外研究者多采用調(diào)整 Al、Ti 及 Nb 的相對比例，改變沉淀相的析出數(shù)量、形貌以及尺寸，從而達(dá)到提高組織穩(wěn)定性以及優(yōu)化性能的目的。

Cozar R[15]等人在Inconel 718 合金的基礎(chǔ)上調(diào)整了 Al、Ti 及 Nb 元素的含量，結(jié)果表明，當(dāng)合金中 Ti+A1/Nb 原子比提高到0.9 甚至更高后，兩種強(qiáng)化相 γ及 γ會以“包覆組織"形式析出，提高了合金的組織穩(wěn)定性。

董建新等人[16]在 Cozar R 的研究基礎(chǔ)上，對不同 Ti+A1/Nb 原子比的 Inconel 718 合金進(jìn)行了更高溫度及更長時間的時效處理，研究了調(diào)整成分后合金的時效硬化曲線，發(fā)現(xiàn)調(diào)整成分后合金的軟化原因不同于傳統(tǒng) Inconel 718 合金。為了保證調(diào)整成分后的 Inconel 718 合金的組織穩(wěn)定性和良好的力學(xué)性能，Du 等人[17-18]提高了合金中 Ti+A1/Nb 原子比，保證足夠的 Al+Ti+Nb 的量，還添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.024%的 P 和 0.0096%的 B，發(fā)現(xiàn)調(diào)整成分后形成的 γ+γ包覆組織可以提高Inconel 718 的組織穩(wěn)定性，相比于傳統(tǒng)的 Inconel 718合金使用溫度提高了 30 ℃。

綜上所述，國內(nèi)外研究者在傳統(tǒng)鑄造工藝中實(shí)現(xiàn)了 GH4169 合金的合金化處理，但是由于 GH4169 合金容易在鋼錠凝固結(jié)晶過程中出現(xiàn) Nb 元素的宏觀偏析，導(dǎo)致冶金缺陷的形成，因而在對 GH4169 合金成分優(yōu)化時，合金中 Nb 元素的添加量普遍較低。考慮到激光增材制造熔池非平衡快速凝固的特點(diǎn)，可有效避免合金元素的宏觀偏析問題，保證材料連續(xù)成形，這提供了一條實(shí)現(xiàn)高溫合金中易偏析元素含量增加的有效方法，也為通過改變合金成分實(shí)現(xiàn) GH4169 合金組織改善與性能優(yōu)化提供了途徑。同時，通過不同的熱處理工藝來繼續(xù)對顯微組織進(jìn)行調(diào)控，獲得更佳性能并掌握合金化后合金相變規(guī)律，也是一項(xiàng)重要的工作[19-24]。

本文通過球磨合金化制備了 Nb 合金化 GH4169合金粉末，利用激光增材制造技術(shù)成形了高 Nb 含量的 GH4169 試樣，研究了 Nb 元素含量變化對激光增材制造高 Nb 含量 GH4169 合金微觀偏析的影響，解釋了微觀偏析對沉積態(tài)、固溶態(tài)及直接時效態(tài)顯微組織與顯微硬度的影響規(guī)律，以期拓寬激光增材制造在GH4169 鎳基高溫合金零件的成形與修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的合金粉末為等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備的球狀常規(guī) GH4169 合金粉末，顆粒尺寸約為 170 μm，粉末中各元素含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：Nb 4.91%，Al 0.63%，Ti 0.97%，Mo 3.18%，Mn 0.11%，Cr 19.68%，Ni 51.75%，F(xiàn)e 余量。所添加的 Nb 粉粒度為210~+320目，粉末的純度大于 99.9%。成形基材為 1Cr13Ni9Ti不銹鋼板材，尺寸為 80 mm×55 mm× 4 mm，在 80 mm× 55 mm 的平面上進(jìn)行單道多層薄壁試樣的激光增材成形，成形高度約為 30 mm。

1.2 試驗(yàn)方法與儀器

采用球磨合金化的方式將 Nb 元素添加到常規(guī)GH4169 合金粉末中，球磨合金化的具體方法為：將不同質(zhì)量的 Nb 粉與常規(guī) GH4169 合金粉添加到XQM-0.4 型立式行星球磨機(jī)中進(jìn)行球磨加工，采用正反轉(zhuǎn)結(jié)合間歇性工作的方式，球磨機(jī)先工作 10 min，暫停 5 min 后反向繼續(xù)工作，球磨轉(zhuǎn)速為 300~ 500 r/min，每組球磨時間為 3 h。

激光成形前，用砂紙將基材打磨至光亮，去除氧化皮，然后用丙酮清洗，酒精擦拭，吹干備用。實(shí)驗(yàn)所用的 Nb 合金化后GH4169 合金粉末中 Nb 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的設(shè)計(jì)值分別為：5.50%、8.50%、11.10%。成形前對合金粉末進(jìn)行真空烘干除濕處理，烘烤溫度 120 ℃，烘烤時間 5 h，隨后爐冷至室溫。

激光增材制造試驗(yàn)是在西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建立的 6 kW 半導(dǎo)體激光增材制造系統(tǒng)上完成的。該系統(tǒng)包括：LDF 6000-60 型 6 kW 半導(dǎo)體激光器、數(shù)控工作臺、GTV PF2/2 型高精度雙路可調(diào)送粉器、四路同軸送粉噴嘴以及惰性氣氛保護(hù)罩。

激光增材制造時的成形參數(shù)為：激光功率 2500 W，掃描速度 600 mm/min，送粉率 25 g/min，光斑直徑5 mm，保護(hù)氣流量 4~6 L/min，Z 軸增量 0.3~0.4 mm。整個試驗(yàn)在 Ar 氣氛圍中進(jìn)行，送粉氣體和保護(hù)氣體均為 Ar 氣。

激光增材成形后，將每種成分的試樣沿沉積方向線切割成適當(dāng)尺寸，進(jìn)行組織觀察與力學(xué)性能測定。沉積態(tài)試樣經(jīng)砂紙打磨和機(jī)械拋光后，使用 5 g FeCl3+20 mL HCl+100 mL C2H5OH 腐蝕液腐蝕，利用MR 5000 型倒置金相顯微鏡（OM）進(jìn)行顯微組織觀察。

利用 Nova Nano SEM450 場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）及其配套的能譜儀（EDS）對試樣進(jìn)行成分測定，主要測量枝晶干中 Nb 元素的平均含量。采用SX2-5-12 箱式電阻爐對試樣進(jìn)行固溶熱處理和直接時效熱處理。

固溶熱處理制度的具體參數(shù)如表 1。直接時效熱處理：720 ℃保溫 8 h 后，以 50 ℃/min 爐冷到 620 ℃，保溫 8 h 后空冷至室溫。固溶態(tài)試樣經(jīng)打磨拋光后，使用 1 g FeCl3+5 mL HCl+5 mL C2H5OH腐蝕，觀察枝晶顯微組織。顯微硬度數(shù)據(jù)通過401MVD 顯微硬度計(jì)采集，加載載荷 200 g，加載時間 15 s,每個試樣的硬度測量點(diǎn)不少于 15 個，取其平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 Nb 合金化對沉積態(tài)試樣枝晶形貌的影響 圖 1 為激光增材制造 Nb 合金化 GH4169 合金沉積態(tài)試樣的枝晶形貌?？梢钥吹?，激光增材制造 Nb合金化 GH4169合金的顯微組織與激光增材制造常規(guī)GH4169 合金的基本一致，均為粗大柱狀晶組織，亞結(jié)構(gòu)為細(xì)小致密的枝晶結(jié)構(gòu)。

這反映出激光增材制造高溫度梯度快速凝固的特征，雖然消除了鑄造工藝中的宏觀偏析缺陷，但枝晶結(jié)構(gòu)的存在表明在激光增材制造組織中還存在微觀偏析。

相比于激光增材制造常規(guī) GH4169 合金（圖 1a），激光增材制造 Nb 合金化GH4169 合金沉積態(tài)試樣的枝晶結(jié)構(gòu)更加顯著，由常規(guī) GH4169合金中不發(fā)達(dá)的枝晶結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)達(dá)的枝晶結(jié)構(gòu)（圖 1b—圖 1d）。

比較可見，激光增材制造常規(guī) GH4169 合金的枝晶結(jié)構(gòu)主要是一次枝晶結(jié)構(gòu)，二次枝晶臂不發(fā)達(dá)（圖 1a）；隨著 Nb 含量的增加，二次枝晶臂結(jié)構(gòu)逐漸顯現(xiàn)，當(dāng) Nb 質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到8.50%時，二次枝晶臂結(jié)構(gòu)已經(jīng)非常明顯（圖 1c）；當(dāng) Nb 元素含量繼續(xù)增加時，不僅二次枝晶臂變得更加發(fā)達(dá)，甚至出現(xiàn)了三次枝晶臂（圖 1d）。

枝晶的發(fā)達(dá)程度決定了枝晶間共晶組織的數(shù)量和形貌。從圖 1 可以看出，添加 Nb 元素后，越發(fā)達(dá)的枝晶組織中枝晶間共晶(γ+Laves)組織越多。GH4169 合金在凝固末期會發(fā)生 L→γ+Laves 共晶轉(zhuǎn)變，因此激光增材制造常規(guī) GH4169 合金的枝晶間顯微組織為(γ+Laves)共晶組織。由于 Laves 相是一種富Nb 相，所以隨著 Nb 含量的添加，枝晶間共晶(γ+Laves)的數(shù)量越來越多。

從形貌上看，隨著枝晶結(jié)構(gòu)趨于發(fā)達(dá)，枝晶間共晶組織的形貌由原來的點(diǎn)塊狀彌散分布特征（圖 1a）逐漸變成連續(xù)的條狀分布特征（圖 1b 和圖 1c），最終形成連續(xù)網(wǎng)狀分布特征（圖1d）。

枝晶結(jié)構(gòu)越發(fā)達(dá)，枝晶分支越多，各枝晶間的共晶組織的距離就會越近，同時越容易形成連續(xù)的條狀，甚至是網(wǎng)狀共晶結(jié)構(gòu)。

熔池的結(jié)晶形態(tài)主要取決于熔池中熔體的溶質(zhì)濃度 C0、結(jié)晶速度 R 以及溫度梯度 G 的綜合作用[25]，溶質(zhì)濃度 C0 越大，溫度梯度 G 越小，結(jié)晶形態(tài)越向樹枝晶發(fā)展，枝晶特征越明顯。

在激光增材制造 Nb合金化 GH4169 合金的過程中，一方面隨著 Nb 含量的增加，溶液中的溶質(zhì)濃度 C0 不斷增大；另一方面，由于 Nb 粉在熔池中的合金化為放熱反應(yīng)[26]，使得熔池的溫度梯度 G 整體減小，隨著 Nb 含量的增加，結(jié)晶形態(tài)由原來不發(fā)達(dá)的枝晶結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)達(dá)的枝晶結(jié)構(gòu)。

2.2 Nb 合金化對合金元素枝晶間微觀偏析的影響

圖 2 為激光增材制造 Nb 合金化 GH4169 合金沉積態(tài)試樣的組織形貌及對應(yīng)位置 Nb 元素線掃描分析結(jié)果，圖中線掃描均從枝晶干的中心位置經(jīng)過枝晶間到相鄰枝晶干的中心位置。

可以看出，Nb 元素的分布在枝晶結(jié)構(gòu)中存在較為明顯的變化，在枝晶間區(qū)域含量多，而在枝晶干區(qū)域含量較少。枝晶間為(γ+Laves)共晶組織，存在富 Nb 的 Laves 相，因而枝晶間的 Nb 元素含量要高于枝晶干。

經(jīng)過合金化后，激光增材制造 GH4169 合金顯微組織中 Nb 元素的偏析現(xiàn)象依然存在（圖 2b—圖 2d）。值得注意的是，由于枝晶間形成了連續(xù)且呈網(wǎng)狀分布的共晶組織，使得Nb 元素的分布沿線掃描位置經(jīng)過了多個共晶區(qū)（γ+Laves），由于共晶 γ 相與共晶 Laves 相 Nb 含量差異較大，從而在相鄰枝晶干形成了如圖 2g 和圖 2h所示的多個 Nb 元素的峰值。

對圖 2 中枝晶干 γ 相和枝晶間 Laves 相進(jìn)行成分統(tǒng)計(jì)，分別測量不同位置兩相的成分 3 次以上，并對其取平均值。定義枝晶間 Laves 相成分與枝晶干 γ 相成分之比為偏析比（Segregation ratio，SR），用偏析比來表示 Nb 元素在枝晶間與枝晶干的偏析程度，具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖 3。

隨著 Nb 元素添加量的增多，激光增材制造 Nb 合金化沉積態(tài)試樣枝晶干 γ 相中的 Nb含量呈上升趨勢。當(dāng)合金中 Nb 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的設(shè)計(jì)值為 11.10%時，枝晶干 γ 相的 Nb 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值 7.53%；相應(yīng)地，Nb 元素的偏析比隨著 Nb 元素添加量的增加呈下降趨勢，由激光增材制造常規(guī)GH4169 的 8.59 下降至 4.13。這表明添加 Nb 元素后，

激光增材制造 Nb 合金化 GH4169 合金中枝晶干與枝晶間的偏析程度得到一定程度的減輕，縮小了枝晶間 與枝晶干之間 Nb 含量的差別