【摘 要】
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INCONEL718(IN718)合金在高温条件下具有较高的抗拉强度、良好的抗氧化性、耐腐蚀性和抗蠕变性,因而被广泛的应用于航空航天工业。一些航空部件为了保证其动力学性能,往往设计成具有复杂曲面结构和高径深比的薄壁结构,采用传统的成形工艺加工制造经济成本高,生产周期长。激光增材制造(Laser Additive Manufacturing,LAM)技术具有成形自由度高,成形周期短,成形后续步骤少等
【基金项目】
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国家自然科学基金项目(编号:11672140); 内蒙古自治区研究生创新项目(编号:B20181111928);
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INCONEL718(IN718)合金在高温条件下具有较高的抗拉强度、良好的抗氧化性、耐腐蚀性和抗蠕变性,因而被广泛的应用于航空航天工业。一些航空部件为了保证其动力学性能,往往设计成具有复杂曲面结构和高径深比的薄壁结构,采用传统的成形工艺加工制造经济成本高,生产周期长。激光增材制造(Laser Additive Manufacturing,LAM)技术具有成形自由度高,成形周期短,成形后续步骤少等优点,在此类结构件的成形中表现出巨大的应用潜力。然而,LAM成形过程中凝固速率较快,强化相来不及析出,微观偏析严重,因而产生组织缺陷,对其进行后续的热处理是十分必要的,热处理过程中,晶界特征和析出相会产生很大的变化,对力学性能产生重要的影响,因此,研究此过程中的晶界特征及析出相演变规律具有重要的意义。本文利用选区激光熔化技术制备IN718合金,并对其进行固溶和时效处理,采用X射线衍射技术、电子背散射衍射技术、扫描电子显微技术和透射电子显微技术等多尺度组织表征手段对沉积态和热处理态合金的微观组织结构、晶体生长机理、晶界特征、析出相形成及演变规律进行深入的研究。研究结果表明:1.IN718合金沉积态组织呈现各向异性,在平行于沉积方向的截面上,粗大的柱状晶组织沿沉积方向外延生长,细小的等轴晶粒分布在柱状晶周围,层与层间的外延生长为[001]方向的外延生长,而道次与道次间的外延生长为[001]→[100]方向的90°外延生长,两种外延生长模式形成了该截面<001>{100}织构。晶粒穿越过熔池后以竞争生长的方式长大,晶体学择优生长方向与最大温度梯度方向的夹角决定生长速率,夹角越小,晶体生长速率越高。对沉积态组织进行固溶热处理后,超过1100℃,静态再结晶现象发生,1120℃再结晶完成,再结晶完成后,晶粒形貌为大量的孪晶。再结晶驱动力为沉积过程中快熔快凝所产生的热应力。2.IN718合金沉积态组织的晶界特征为:柱状晶界为大角度晶界,局域取向差角较大,柱状晶内部的胞晶界形成小角度晶界,小角度晶界占晶界总量的38.26%。对沉积态合金固溶处理后,温度高于1090℃,小角度晶界开始减少,转变为亚晶界,至1120℃小角度晶界含量低于5%,∑3孪晶界的含量约为65%。再结晶初期形核机制为弓出形核和亚晶合并机制,再结晶后期,大角度晶界迁移产生“堆垛”错误,形成了大量的孪晶界。固溶温度为1100℃时,非共格孪晶界占∑3孪晶界总量的75%,晶界可动性较强,随着温度的升高,晶界迁移的过程中发生碰撞,派生出∑9和∑27晶界,从而形成∑3n晶界团簇,有效阻断大角晶界的联通,当固溶温度达到1120℃时,主要孪晶界为共格∑3孪晶界,可动性变差,∑9+∑27晶界的总量下降。孪晶的界面上存在共格孪晶界段和非共格孪晶界段,非共格孪晶界面由几十个原子层构成,孪晶的形成过程为:层错→纳米孪晶→非共格孪晶→共格孪晶。3.IN718合金沉积态的相为:基体丫相、碳氮化物(MX)相和Laves/γ共晶相。基体的晶界和亚晶界处存在50nm厚的Nb、Ti元素偏析带,MX相和Laves相分布在此偏析带中。固溶处理后,温度高于980℃,偏析带回溶,最短固溶时间与固溶温度的关系为:t=1/3169 exp(21597/T)。但MX相和Laves相不能完全回溶。时效处理后,720℃/8h条件下,析出纳米级γ"相,长度约为50nm,宽度约为10nm,在晶粒内部均匀而弥散的分布。亚晶界处由于Nb元素浓度较高,形成γ"富集带。800℃/8h条件下,同时析出δ和粗化的γ"相,δ相存在12种变体,γ"相存在3种变体,两者在形貌上相近,均有片状、盘状和针状的形貌存在,长度约为0.5~1μm,采用迹线分析法可以确定,δ相变体的夹角约为71°,γ"相变体的夹角为90°。温度决定强化相析出的类型和尺寸,但元素富集程度决定强化相析出数量。4.经过原位TEM观察,δ相在中高温时效过程中析出,δ相形成前,基体中先要形成调制结构,随着时间的增加,调制结构转变为长周期结构,最后形成δ相。温度升高,调制结构到长周期结构的转变速率加快,δ相的析出速率升高,且析出的δ相尺寸更大,高温时效易析出针状δ相,中温时效易形成片状及块状δ相。γ"相在中低温时效时析出,中温时效时,γ"粗化,形成微米级沉淀相,低温时效时,γ"细小而弥散的分布在基体中,形成纳米级沉淀相,γ"析出前没有观察到调制结构。α-Cr相在中低温时效时析出,700℃时析出速率最快,该相存在两个变体,与基体的位向关系分别为:[111]Cr ‖[001]γ;(101)Cr ‖(110)γ[111]Cr ‖[0011 γ;(011)Cr ‖(110)γ,LAM的快凝过程导致Cr元素固溶于基体中,形成过饱和固溶体,促进了时效过程中Cr单质的析出。
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