CN113751724B - 激光选区熔化成形gh4099合金构件的热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光选区熔化成形GH4099合金构件的热处理方法，采用激光选区熔化技术制备GH4099合金构件；将GH4099合金连同基板从室温加热到450℃～550℃，保温1.5～2h进行去应力退火，冷却至室温；将GH4099合金从室温加热到1130～1170℃，保温1.5～2h，冷却至室温；将GH4099合金从室温加热到740～810℃，保温8～10h，冷却至室温。本发明使热处理后的GH4099合金不发生变形和开裂，合金组织中的柱状晶转变为等轴晶，晶界处碳化物的尺寸得以抑制，晶内析出小尺寸且具有极高体积分数弥散分布的γ'相颗粒，使GH4099合金具有优异的强度和塑性。

Description

激光选区熔化成形GH4099合金构件的热处理方法

技术领域

本发明属于增材制造工程技术领域，特别涉及一种激光选区熔化成形GH4099合金构件的热处理方法。

背景技术

GH4099合金是一种以γ'相(Ni3Al,Ti)为主要强化相的镍基高温合金，此外组织中还含有一定含量的碳化物来起到晶界强化的作用。合金中同时含有较高含量的Co、Mo、W等元素起到固溶强化作用，可以很大程度上提高合金的高温使用性能，使其在900℃以下可以长期使用，最高工作温度可达1000℃。该合金组织稳定，并具有良好的冷热加工成形和焊接性能，适合制造航空发动机燃烧室和加力燃烧室等高温板材承力结构件。

激光选区熔化(SLM)技术独特的“点-线-面-体”逐步叠加的加工方式和高度自由的成形参数，使其在零件制造一体化、结构轻量化设计、材料成分梯度化和形状功能复杂化等方面具有突出的优势。为航空航天、模具制造等领域复杂零部件的制造提供了全新的解决方案。但是由于SLM成形过程中微观熔池在极高的温度梯度下快速凝固，造成合金微观组织内部含有大量空位，位错，亚晶等非稳态结构，使得微观组织内部存在极高的残余应力，这将导致成形部件呈现出高强度低塑性的力学性能特点，尤其是高温塑性不足一直是SLM成形零部件亟待解决的难题。对于SLM成形GH4099合金必须进行后续热处理对力学性能进行调控，但是由于SLM成形合金的原始组织状态与传统的铸造、锻造和轧制GH4099合金存在较大差异，因此已有的热处理制度并不适用于SLM成形GH4099合金的热处理。目前SLM成形GH4099合金零件经热处理后存在零件变形或开裂现象，且高温强度较低，高温塑性严重不足的现象。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种激光选区熔化成形GH4099合金构件的热处理方法，适用于SLM成形GH4099合金制备薄壁或实体零件的热处理工艺，对SLM成形GH4099合金的晶粒状态、晶界处碳化物含量、以及晶内γ'相的尺寸和含量进行调控，最终获得优良的高温力学性能，且热处理后的零件不发生变形和开裂。

本发明提供了一种激光选区熔化成形GH4099合金构件的热处理方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S1，采用激光选区熔化技术制备GH4099合金构件；

步骤S2，将步骤S1制备的激光选区熔化GH4099合金构件连同基板以5～15℃/min的速率从室温加热到450℃～550 ℃，保温1.5～2h进行去应力退火，保温结束后冷却至室温；

步骤S3，将步骤S2得到的激光选区熔化GH4099合金构件从基板上切下后进行固溶热处理：将步骤S2得到的激光选区熔化GH4099合金构件以10～20℃/min的速率从室温加热到1130～1170℃，保温1.5～2h，保温结束后冷却至室温；

步骤S4，时效热处理：将步骤S3得到的激光选区熔化GH4099合金构件以10～20℃/min的速率从室温加热到740～810℃，保温8～10h，保温结束后冷却至室温。

作为优选，步骤S2、步骤S3、步骤S4中冷却至室温时，采用的冷却方式为惰性气体冷却或空气冷却。

本发明具有如下有益效果：

本发明所提供的一种激光选区熔化成形GH4099合金构件的热处理方法，适用于SLM成形GH4099合金所制备的薄壁零件、实体零件；经去应力退火热处理后，薄壁和实体零件不发生变形和开裂；随后经固溶热处理后GH4099合金组织中的柱状晶转变为等轴晶，原有晶粒内部的枝晶得以完全消除，晶粒发生完全再结晶，原有畸变能得以完全释放，组织中形成大量孪晶，晶界处碳化物的尺寸得以抑制，这有利于GH4099合金塑性的提升；最后进行时效热处理后晶内析出小尺寸且具有极高体积分数弥散分布的γ'相颗粒，这保证了热处理后的GH4099合金具有较高的强度。获得的晶内γ'相平均尺寸小于20nm，体积分数高于50%。热处理后GH4099合金高温力学性能得到显著提升，900 ℃屈服强度＞400 MPa，延伸率＞25 %，强度和塑性匹配良好。

本发明通过上述热处理制度的良好配合实现了SLM成形GH4099合金无变形和开裂现象，保证了零件的结构完整性，同时具有优异的强度和塑性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明实施例的一些实施例。

图1为实施例1中步骤S1制备的SLM成形GH4099合金的原始组织的（a）熔池形貌 、（b）熔池内部枝晶形貌；

图２为实施例1中步骤S1制备的SLM成形GH4099合金原始组织的（a）反极图、（b）晶粒取向扩展图；

图3为实施例1中经应力退火和固溶热处理后的SLM成形GH4099合金的（c）反极图、（d）晶粒取向扩展图；

图4为实施例1中经应力退火和固溶热处理后的SLM成形GH4099合金的微观组织图；

图5为实施例1处理后的SLM成形GH4099合金组织中γ'相分布状态图；

图6 为实施例1处理后的SLM成形GH4099合金在900℃条件下拉伸的应力-应变曲线。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。

本发明提供了一种激光选区熔化成形GH4099合金构件的热处理方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S1，采用激光选区熔化技术制备GH4099合金构件。

步骤S2，将步骤S1制备的激光选区熔化GH4099合金构件连同基板以5～15℃/min的速率从室温加热到450℃～550℃，保温1.5～2h进行去应力退火，保温结束后冷却至室温，采用的冷却方式为惰性气体冷却或空气冷却。

步骤S3，将步骤S2得到的激光选区熔化GH4099合金构件从基板上切下后进行固溶热处理：将步骤S2得到的激光选区熔化GH4099合金构件以10～20℃/min的速率从室温加热到1130～1170℃，保温1.5～2h，保温结束后冷却至室温，采用的冷却方式为惰性气体冷却或空气冷却。

步骤S4，时效热处理：将步骤S3得到的激光选区熔化GH4099合金构件以10～20℃/min的速率从室温加热到740～810℃，保温8～10h，保温结束后冷却至室温，采用的冷却方式为惰性气体冷却或空气冷却。

实施例1

本实施例提供了激光选区熔化成形GH4099合金构件的热处理方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S1，采用激光选区熔化(SLM)技术制备GH4099合金构件样品。采用粒径介于15～53μm的GH4099合金球形粉末作为成形材料，利用激光选区熔化设备进行成形，成形参数为激光功率350W，激光扫描速度1100 mm/s，铺粉厚度40μm，扫描间距90 μm，扫描策略为条带式双向扫描，层间旋转67°，基板预热至80℃。其中用于微观组织检测的试样尺寸为10mm×10mm×10mm，拉伸样品尺寸根据GH/T 4338-2006进行。

步骤S2，将步骤S1制备的GH4099合金构件样品连同基板以5℃/min的速率从室温加热到500℃，保温2h进行去应力退火，保温结束后空气冷却至室温。

步骤S3，随后用线切割设备将步骤S2得到GH4099合金构件样品从基板切取后放在热处理炉中进行固溶热处理：将步骤S2得到的GH4099合金构件样品以15℃/min的速率从室温加热到1150℃，随后保温1.5h，保温结束后空气冷却至室温。

步骤S4，时效热处理：将步骤S3得到的GH4099合金构件样品以15℃/min的速率从室温加热到750℃，随后保温8h，保温结束后空气冷却至室温。然后对热处理后得到的GH4099合金构件样品经磨制抛光，金相腐蚀后进行微观组织观察，随后在900℃进行高温拉伸验证。

经SLM成形后的GH4099合金组织如图1（a）所示，熔池之间搭接紧密，无裂纹和孔洞缺陷，材料近乎致密；熔池内部均匀分布着亚微米级别的枝晶，如图1（b）所示。成形态组织中晶粒为沿成形方向进行生长的形貌不规则的柱状晶，如图2（a）所示。利用EBSD（电子背散射衍射）得到的晶粒取向扩展图，如图2（b）所示，可以看出SLM成形GH4099合金的原始晶粒内部存在大量的亚晶界，并且晶粒内部的平均取向差为2.55°。

经本实施例的去应力退火和固溶热处理制度处理后，SLM成形的GH4099合金晶粒转变为等轴晶，并且有大量孪晶的生成，且未见裂纹开裂，如图3（c）所示；GH4099合金晶粒内部小角度晶界得以消除，并且形成大量孪晶界，利用EBSD（电子背散射衍射）得到的晶粒取向扩展图，如图3（d）所示，晶粒内部的平均取向差为0.42°，这意味着晶粒发生了完全再结晶，使得因SLM成形过程中极高的冷速造成的晶粒内部残余应力得以释放，基体发生软化，这有利于材料塑性的大幅度提升。并且从图4中可以看出，晶界处的碳化物尺寸小于1 μm，碳化物的析出受到了极大的抑制，这有利于缓解材料在高温拉伸条件下因晶界局部应力过高而造成的材料过早失效。

图5为采用本实施例去应力退火+固溶热处理+时效热处理后的合金组织中析出的γ'相，可以看出γ'相的平均尺寸为15nm，体积分数为60±6 %。γ'相在合金中以小尺寸、高密度的析出有利于合金高温强度的提升。

最后对本实施例热处理后SLM成形GH4099合金进行了900 ℃拉伸验证，从图6可以看出与传统成形GH4099合金所采用热处理制度（1100℃*1h，800℃*8h）处理后的SLM成形GH4099合金相比，经本实施例热处理制度（1150℃ *1.5 h，750℃*8h）处理后的SLM成形GH4099合金在不牺牲材料强度的条件下，大幅度的提升了材料的塑性，这得益于本实施例所提出的热处理制度对SLM成形GH4099合金微观组织的有效调控。这将解决SLM成形GH4099合金高温塑性难以满足使用要求的问题。

本实施例激光选区熔化成形GH4099合金晶粒发生了完全再结晶，实现了晶粒从柱状晶向等轴晶的转变，抑制了晶界处大尺寸碳化物的析出，获得的晶内γ'相平均尺寸小于20 nm，体积分数高于50 %。热处理后GH4099合金高温力学性能得到显著提升，900 ℃屈服强度＞400 MPa，延伸率＞25 %，强度和塑性匹配良好。

由以上技术方案可以看出，本实施例提供的激光选区熔化成形GH4099合金构件的热处理方法，适用于SLM成形GH4099合金所制备的薄壁零件、实体零件；经去应力退火热处理后，薄壁和实体零件不发生变形和开裂；随后经固溶热处理后GH4099合金组织中的柱状晶转变为等轴晶，原有晶粒内部的枝晶得以完全消除，晶粒发生完全再结晶，原有畸变能得以完全释放，组织中形成大量孪晶，晶界处碳化物的尺寸得以抑制，这有利于GH4099合金塑性的提升；最后进行时效热处理后晶内析出小尺寸且具有极高体积分数弥散分布的γ'相颗粒，这保证了热处理后的GH4099合金具有较高的强度；通过上述热处理制度的良好配合实现了SLM成形GH4099合金无变形和开裂现象，保证了零件的结构完整性，同时具有优异的强度和塑性。

以上通过实施例对本发明实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明实施例的示例性实施例，不能被认为用于限定本发明实施例的实施范围。本发明实施例的保护范围由权利要求书限定。凡利用本发明实施例所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明实施例技术方案的启发下，在本发明实施例的实质和保护范围内，设计出类似的技术方案而达到上述技术效果的，或者对申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明实施例的专利涵盖保护范围之内。

Claims (1)

1.一种激光选区熔化成形GH4099合金构件的热处理方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤S1，采用激光选区熔化技术制备GH4099合金构件；

步骤S2，将步骤S1制备的激光选区熔化GH4099合金构件连同基板以5～15℃/min的速率从室温加热到450℃～550 ℃，保温1.5～2h进行去应力退火，保温结束后冷却至室温，冷却方式为惰性气体冷却或空气冷却；

步骤S3，将步骤S2得到的激光选区熔化GH4099合金构件从基板上切下后进行固溶热处理：将步骤S2得到的激光选区熔化GH4099合金构件以10～20℃/min的速率从室温加热到1130～1170℃，保温1.5～2h，保温结束后冷却至室温，冷却方式为惰性气体冷却或空气冷却；

步骤S4，时效热处理：将步骤S3得到的激光选区熔化GH4099合金构件以10～20℃/min的速率从室温加热到740～750℃，保温8～10h，保温结束后冷却至室温，冷却方式为惰性气体冷却或空气冷却。

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