传统工艺和激光选区熔化技术制备的Inconel 718合金在650℃下表面氧化膜的形成机理

宋 涛 ,李 静 ,王志武 ,张一可

(1.湖北大学知行学院机械与自动化学院,武汉 430011;2.武汉大学动力与机械学院,武汉 430072)

Inconel 718合金是一种镍基高强合金,具有优异的高温力学性能、耐腐蚀性能和良好的抗高温氧化性能,被广泛应用于航空工业、燃气轮机和核反应堆等领域[1-2]。传统的减材加工制造工艺会造成原材料的浪费,对于复杂型面,其加工难度极大。增材制造是一种先进的绿色制造技术,通过智能控制提高复杂结构部件的生产能力,降低生产成本,是新一轮产业变革的重点发展方向[3-4]。激光选区熔化(SLM)技术是一种比较成熟的增材制造方法。该技术利用激光逐层熔化金属粉末,使材料成形,成品具有很高的表面尺寸精度和表面质量,是一种能够实现无余量加工的制造技术[5-6]。Inconel 718合金常服役于高温环境中,采用增材制造技术制备的Inconel 718合金的抗高温氧化性能是理论研究的关键和工程应用的重点。KANG 等[7]研究了后续热处理对增材制造技术制备的Inconel 718合金抗高温氧化性能的影响。结果表明,经热等静压处理后,Inconel 718合金的抗氧化性能显著提高。SUJAN等[8]研究了电弧增材制造技术制备的Inconel 718合金的抗高温氧化性能。结果表明,热处理前后Inconel 718合金的氧化质量增加曲线均符合抛物线规律,且其表面形成了具有保护性的Cr2O3氧化膜。GREENE 等[9]、LUO 等[10]和NNAJI等[11]也都进行了Inconel 718合金抗高温氧化性能的相关研究。但是,关于增材制造技术和传统工艺制备的Inconel 718合金的抗高温氧化性能对比研究较少。LUO 等[12]对比研究了经铸造、锻造和增材制造技术制备的Inconel 718合金的抗高温氧化性能。结果表明,增材制造制备的Inconel 718合金的抗高温氧化性能更好。

本工作对比研究了高温氧化不同时间后,传统工艺和SLM 技术制备的Inconel 718合金表面氧化物的微观形貌和成分,并分析了两种合金的抗高温氧化性能,以期为提升Inconel 718合金的使用性能提供重要的理论指导和实际应用参考。

1 试验

试验材料为传统工艺制备的Inconel 718合金(记为原始试样),传统工艺为100℃固溶处理1 h后水冷→时效处理(720℃保温8 h后,随炉冷却至620℃,保温8 h,空冷至室温)。采用SLM 技术制备的Inconel 718合金(记为SLM 试样)。两种合金试样的尺寸均为10 mm×10 mm×10 mm,其化学成分见表1。SLM 试样采用EOS M290型3D 打印机在氩气氛围下制备,激光器功率为285 W,扫描速率为960 mm/s,扫描间距为0.13 mm,铺粉厚度为0.04 mm。

表1 试验材料的化学成分Tab.1 Chemical composition of test materials%

采用砂纸将两种试样进行打磨后,置于650℃高温空气氧化炉中分别氧化1,2,4,8 h,然后取出试样进行空气冷却。采用FESEM-MIRA 3型场发射扫描电镜(SEM)观察试样表面氧化膜的微观形貌,采用扫描电镜附带的EDS-Aztec Energy型能谱仪(EDS)分析氧化膜的成分。

2 结果与讨论

2.1 氧化膜微观形貌

由图1 可见:650℃下氧化不同时间后,SLM试样表面存在片状(针状)和块状(颗粒状)氧化物,块状氧化物有向针状发展的趋势;氧化1 h后,SLM试样表面有少量片状和块状氧化物生成;氧化2 h后,SLM 试样表面片状氧化物增多,分布更加密集,块状氧化物表面附着少量颗粒状氧化物;氧化4 h后,SLM 试样表面出现了团簇的片状氧化物,块状氧化物表面向外生成一些管状氧化物;氧化8 h后,SLM 试样表面团簇状氧化物上生成了新的片状氧化物,块状氧化物表面生成了片状(针状)氧化物。

图1 高温空气氧化不同时间后SLM 试样表面氧化物的SEM 形貌Fig.1 SEM morphology of oxides on the surface of SLM samples after high temperature air oxidation for different periods of time: (a)1 h,flake oxide;(b)1 h,bulk oxide;(c)2 h,flake oxide;(d)2 h,bulk oxide;(e)4 h,flake oxide;(f)4 h,bulk oxide;(g)8 h,flake oxide;(h)8 h,bulk oxide

由图2可见:氧化不同时间后,原始试样表面氧化物形貌和氧化膜生长趋势与SLM 试样的类似,氧化物呈片状(针状)和块状(颗粒状);氧化1 h后,原始试样表面有少量的片状和块状氧化物生成;氧化2 h后,原始试样表面片状氧化物增多,分布更加密集,块状氧化物表面向外生成一些管状氧化物;氧化4 h后,原始试样表面出现了团簇的片状氧化物,块状氧化物表面管状氧化物增多;氧化8 h后,原始试样表面团簇状氧化物上生成了新的片状氧化物,块状氧化物表面生成了片状(针状)氧化物。

图2 高温空气氧化不同时间后原始试样表面氧化物的SEM 形貌Fig.2 SEM morphology of oxides on the surface of original samples after high temperature air oxidation for different periods of time: (a)1 h,flake oxide;(b)1 h,bulk oxide;(c)2 h,flake oxide;(d)2 h,bulk oxide;(e)4 h,flake oxide;(f)4 h,bulk oxide;(g)8 h,flake oxide;(h)8 h,bulk oxidee

综上分析可知,氧化8 h后,SLM 试样表面氧化膜的厚度要小于原始试样的,表明SLM 试样的抗氧化性能略优于原始试样的,由于氧化膜非常薄,未能直接测量出氧化膜厚度。另外,原始试样表面块状氧化物上生成的筒状氧化物的时间要早于SLM 试样的。

2.2 氧化物成分

由表2和表3可知:原始试样和SLM 试样表面主要为铁的氧化物,铁原子分数为20%～40%,镍元素含量较低,原子分数约为1%～4%,铬原子分数约为1%～9%;片状氧化物中的氧含量要高于块状氧化物中的,块状氧化物的氧化过程中以金属原子向外扩散为主,片状氧化物的氧化过程以氧元素向内扩散为主[13-15];SLM 试样表面片状氧化物中的氧含量为54%～60%(原子分数),其块状氧化物和原始试样表面两种形态的氧化物中的氧含量均呈下降趋势,这表明随着氧化时间的延长,氧化物向稳定的Me2O3氧化物发展。

表2 高温空气氧化不同时间后SLM 试样表面氧化物的EDS分析结果Tab.2 EDS analysis results of oxides on the surface of SLM samples after high temperature air oxidation for different periods of time

表3 高温空气氧化不同时间后原始试样表面氧化物的EDS分析结果Tab.3 EDS analysis results of oxides on the surface of original samples after high temperature air oxidation for different periods of time

一般情况下,Inconel 718合金是一种Ni-Cr-Al基时效强化型镍基合金,即其表面形成保护性Cr2O3氧化物,内部形成Al2O3氧化物。在氧化初期,O2含量较充足,在金属表面快速形成氧化核心区,Inconel 718合金中铬含量较高(质量分数约为20%),使得金属元素能够快速与O2发生反应,生成Cr2O3氧化物,Cr2O3可以阻隔O2向金属内部扩散和铬元素向外扩散,在金属表面形成保护性氧化膜,金属内部氧含量快速降低,其他金属元素氧化受到限制。由埃林厄姆-理查德森图可知,在高温下,Al2O3(1.013 25×1029Pa,-836.8 kJ·mol-1)(1.013 25×1017Pa,-523 kJ·mol-1)的容易很多,随着氧化时间的延长,Al2O3氧化物可以在的形成比Cr2O3Cr2O3氧化膜下继续生成[8-9,11]。

由图3和图4可知:650℃氧化1 h后,SLM 试样和原始试样表面氧化膜的面扫描结果基本相同片状氧化物中的铁元素含量相对较低,块状氧化物和基体中的铁元素分布较均匀;氧元素主要分布在氧化膜中,基体中的氧含量很低;片状氧化物中的铬元素含量较高,块状氧化物中的铬元素含量较低;片状氧化物中的镍元素含量较低,基体和块状氧化物中的镍元素分布较为均匀,这与EDS 分析结果相一致,表明片状氧化物中的合金元素向外扩散,发生氧化,块状氧化物中的氧元素向内扩散,发生氧化。

图3 650℃氧化1 h后SLM 试样的面扫结果Fig.3 Surface scan results of SLM samples oxidized at 650℃for 1 h: (a)surface scan location;(b)Fe;(c)O;(d)Cr;(e)Ni

图4 650℃氧化1 h后原始试样的面扫结果Fig.4 Surface scan results of original samples oxidized at 650℃for 1 h: (a)surface scan location;(b)Fe;(c)O;(d)Cr;(e)Ni

从热力学角度分析,吉布斯自由能变化越小,氧分压越低,越容易被氧化,根据XU 等[14]的计算结果可知,铬比铁更容易被氧化,在基体中,铬元素的扩散也比铁元素容易,这与EDS分析结果(氧化物中铬元素含量较高)相一致。

3 结论

(1) 采用SLM 技术和传统工艺制备的Inconel 718合金在650℃下分别氧化1,2,4,8 h后,两种试样表面都出现了片状和块状氧化物,两种氧化物的生长规律大致相同,SLM 技术制备的Inconel 718合金的抗氧化性能略优于传统工艺制备的Inconel 718合金的。

(2) 经高温氧化后SLM 技术制备的Inconel 718合金和传统工艺制备的Inconel 718 合金表面片状氧化物主要由氧元素向基体内部扩散发生氧化形成,块状氧化物主要由合金元素向外扩散发生氧化形成。

(3) 高温氧化不同时间后,SLM 技术和传统工艺制备的Inconel 718合金表面氧化膜的主要成分为铁的氧化物,随着氧化时间的延长,氧化物类型逐渐趋向于Me2O3氧化物。