工艺参数和局部热处理对激光沉积修复GH4169合金拉伸性能的影响

赵翔鹏 卞宏友 邵绪威 魏 莙

（1.张家界航空工业职业技术学院 航空制造学院，张家界 427000；2.沈阳工业大学 机械工程学院，沈阳 110000）

在先进的飞机发动机中，GH4169 合金的比重在50%以上[1]。航空零件多为复杂薄壁结构，在制造过程中易出现加工超差等缺陷，在恶劣服役环境下容易出现疲劳裂纹和磨损等失效情况。激光沉积修复技术具有热输入小的特点，能够实现损伤部位的近净成形修复，从而满足航空零件高质高效的修复需求。

王志坚等研究了激光沉积修复工艺参数之间的关系[2]。盛定高的研究表明，K417G 合金涡轮叶片的激光修复组织良好，硬度较高[3]。卞宏友等的研究表明，短边扫描路径有利于降低残余应力[4]。KIM 等的研究表明，激光熔覆技术将成为替代钨极氩弧焊的修复工艺[5]。

基于这些研究，采用Inconel718 合金对GH4169合金的损伤试样进行激光沉积修复试验。通过正交试验法研究了激光功率、扫描速度、送粉速度、搭接率、层高等对修复组织的影响，优化了修复工艺参数。同时，分析了不同扫描方式、局部热处理方式对修复试样室温拉伸性能的影响，并分析了修复试样显微组织特征及硬度分布的特点。

1 试验设备与试验条件

采用LDM4030 激光同步送粉设备进行修复，基板为GH4169 合金板材，沉积材料为Inconel 718 球形粉末，粒度为53～150 μm。修复试样经混合液化学腐蚀后制成金相样品，采用OLYMPUS GX51 型光学显微镜和S3400 型扫描电镜进行显微组织观察。采用HVS-1000A 显微硬度计进行硬度测试，加载载荷为300 N，保荷时间为15 s。采用Z050 型试验机测试力学性能，位移控制的加载速率为1 mm·min-1。利用局部感应加热系统对修复试样进行直接时效处理，温度为720 ℃，炉冷8 h 至620 ℃，再空冷8 h。

2 试验结果与分析

2.1 工艺参数优化

单道沉积试验的激光工艺参数组合采用正交法设计，选取沉积单道的熔宽W、熔高H、熔深D为特征尺寸进行分析，如图1 所示。试验工艺参数组合及沉积单道的特征尺寸如表1 所示，其中RW为熔宽的极差，RH为熔高的极差，RD为熔深的极差。

表1 单道正交试验参数表

图1 沉积单道特征尺寸

由特征尺寸的极差可以看出，激光功率对熔宽和熔深的影响较大，扫描速度对熔宽、熔高和熔深的影响相差不大，而送粉速度对熔高和熔深的影响较大。在激光沉积修复中，熔池的体积主要取决于激光光斑的能量密度，能量密度随着激光功率的增大而增大，随着扫描速度的增大而减小。随着激光功率的增加，熔宽和熔深不断增大，熔高变化较小，如图2（a）所示。随着扫描速度的增加，熔宽、熔高和熔深逐渐降低，如图2（b）所示。随着进入熔池的粉末量增加，熔宽、熔高和熔深会逐渐增大。当激光功率保持不变时，扫描速度和送粉速度的匹配度会影响特征尺寸的变化，使其不呈线性变化，如图2（c）所示。

图2 工艺参数对沉积单道特征尺寸的影响

修复过程中常采用多道多层的沉积方式，其中道与道之间的搭接率R直接影响修复表面的宏观平整程度，送粉头相对工件表面的抬升量，即层高Z影响激光光斑直径和送粉位置的变化[6]。同时，修复过程中会造成沉积区域热量累积，使得修复的工件产生变形。为得到较好的修复表面精度和无缺陷的微观组织，在单道沉积试验的基础上进行多道多层沉积试验，优化得到工艺参数：P=1 400 W，Vs=7 mm·s-1，Vf=9 g·min-1，R=40%，Z=0.5 mm。

2.2 修复试样的显微组织和显微硬度

针对航空零件上的穿透性裂纹和沟槽类磨损特点，将损伤部位规则加工成贯通槽形式，槽长L为30 mm，上沿宽W为14 mm，高H为3 mm，坡角θ为30°，如图3 所示。修复过程中采用短边、长边两种扫描路径进行对比试验，分别称为短边试样和长边试样。

图3 激光沉积修复示意图

修复试样中的修复区与基体之间以及修复区中道与道、层与层之间，均呈现致密的冶金结合特点。基体区为等轴晶组织，修复区的柱状枝晶组织因熔池的快速冷凝呈现典型的外延生长特点，其生长取向性趋于平行沉积高度方向，如图4 所示。

图4 GH4169 合金的光学显微组织

沿水平方向由修复区至基体区间隔1 mm 打点测量硬度如图5 所示。由图5 可知，沉积态试样修复区的显微硬度平均值为295 HV0.1，分布基本均匀。熔合线区的显微硬度值为260 HV0.1，略微降低。基体区的平均硬度值为460 HV0.1。

图5 激光沉积修复试样的显微硬度

2.3 室温拉伸性能

激光沉积修复试样室温拉伸性能，如表2 所示，其中σb为抗拉应力，σ0.2为屈服强度，δ为抗拉应力超出屈服强度的比例。根据《GH4169 合金锻件》（Q/3B 548—1996）标准规定，锻件σb不小于1 340 MPa，σ0.2不小于1 100 MPa。由表2 可知，短边与长边试样的拉伸性能均低于锻件，其中长边又低于短边。

表2 激光沉积修复试样室温拉伸性能

修复试样的扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）组织，如图6 所示。在未热处理的沉积态试样柱状枝晶间析出白色Laves 脆性相，该相强度、硬度偏低会导致修复区性能降低。同时，由于修复试样的显微组织存在各向异性，长边试样受修复区中道与道之间重熔区柱状枝晶粗化现象影响，拉伸性能低于短边试样[7]。经局部热处理后，修复试样的枝晶间Laves 相有一定溶解，从树枝状变为较小的岛状。由于Laves 相富集大量Nb 元素，它的溶解可以促进析出γ"和γ′相，产生的共格强化及有序强化作用可以有效提升修复试样的拉伸性能。因此，局部热处理态试样的平均抗拉强度、屈服强度分别达到锻件的86.8%和98.3%。这也是经局部热处理后，修复区、熔合线区的硬度值升高并与基体趋于一致的原因。

图6 修复试样的SEM 组织

3 结语

通过激光沉积修复试验可知，工艺参数和局部热处理对激光沉积修复GH4169 合金拉伸性能具有一定影响。优化GH4169 合金激光沉积修复工艺参数，可以获得无缺陷的修复组织。经局部热处理后，枝晶间Laves相有一定溶解，平均抗拉强度和屈服强度分别提高至锻件的86.8%和98.3%。经局部时效热处理后，修复试样的修复区、熔合线区和基体的硬度分布趋于均匀。