采用激光立體成形技術(shù)制備了K465鎳基高溫合金試樣，研究了晶粒、y 強(qiáng)化相及碳化物等組織的特征及演化 規(guī)律。

結(jié)果表明：試樣中心區(qū)域內(nèi)晶粒粗大，頂部邊緣區(qū)域晶粒細(xì)小；試樣內(nèi)枝晶呈現(xiàn)明顯的沿沉積方向外延生長(zhǎng)特 點(diǎn)，在接近試樣底部的部分，熔覆層頂部由于重熔不完全而出現(xiàn)轉(zhuǎn)向枝晶區(qū)；熔覆層交界處的y相尺寸略大于層內(nèi)的y 相，枝晶間的y 相尺寸略大于枝晶干上的y 相；MC碳化物呈現(xiàn)多種形貌，底部存在分叉發(fā)達(dá)的花瓣?duì)頜C碳化物，中 部有較多短棒狀MC碳化物，頂部存在棒狀和八面體狀的MC碳化物。

K465合金是一種主要通過(guò)有序的yLNi3(Al，Ti)相 和碳化物強(qiáng)化的鎳基鑄造高溫合金，由于具有良好的高溫強(qiáng)度和耐腐蝕性能而被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的 渦輪葉片和導(dǎo)向葉片。

葉片在長(zhǎng)期服役使用下會(huì)造 成損傷，若能對(duì)損傷部件進(jìn)行快速經(jīng)濟(jì)的修復(fù)將具有 重要的工程意義。

由于激光束作用區(qū)域小，對(duì)本體的影響較小，并能獲得與本體進(jìn)行冶金結(jié)合的沉積區(qū)，采用基于激光立體成形(1aser solid forming，LSF) 技術(shù)的激光成形修復(fù)(1aser forming repairing，LFR)技 術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)雜受損構(gòu)件的幾何和力學(xué)性能的高性 能成形和修復(fù)，因此LSF技術(shù)白20世紀(jì)90年代中期 開(kāi)始出現(xiàn)即迅速發(fā)展，在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片等熱端 零部件的成形和修復(fù)方面具有重要的應(yīng)用前景。

激光立體成形K465葉片時(shí)，激光沉積區(qū)經(jīng)歷了 快速的加熱和凝固過(guò)程，沉積區(qū)的組織發(fā)展將會(huì)受到 熱過(guò)程的影響，MC碳化物的形貌， 強(qiáng)化相的顆粒尺 寸和形貌都將會(huì)由于快速凝固而與鑄造基體產(chǎn)生較大 的差異，而沉積區(qū)的組織又會(huì)對(duì)成形試樣的力學(xué)性能產(chǎn)生直接作用。

掌握K465合金在激光立體成形過(guò)程 中的組織特點(diǎn)，對(duì)促進(jìn)該技術(shù)在鑄造高溫合金零件成形和修復(fù)中的應(yīng)用具有重要作用。目前關(guān)于K465合金的組織報(bào)道還主要是針對(duì)普通鑄造條件下的凝固特 征，有關(guān)激光立體成形過(guò)程中的組織特征則報(bào)道極少。

本實(shí)驗(yàn)采用激光立體成形技術(shù)，在鑄造K465高溫合金基材表面制備了單道多層的激光立體成形試樣，研究了試樣的晶粒和強(qiáng)化相形貌，以期為K465高溫合金葉片的激光立體成形和高性能修復(fù)提供重要的理論基礎(chǔ)。

1 實(shí) 驗(yàn)

激光立體成形實(shí)驗(yàn)是在西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó) 家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室白行建立的LSF．III激光立體成形設(shè)備 上完成。實(shí)驗(yàn)所采用的激光器為4 kW連續(xù)波CO 激光器，波長(zhǎng)為10．6 lam。實(shí)驗(yàn)用基材取白于K465高溫合金發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片，加工成 30 mmx10 mm的試樣。

成形粉末為旋轉(zhuǎn)電極法制備的K465球形粉末， 粒度為43～160 m。粉末的名義成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％)為0．17 C，9．20 Cr，2．40 Ti，5．50 A1，1．8l Mo，10．02W，9．91 Co，1．20 Nb，0．005 B，余量Ni。實(shí)驗(yàn)在手套箱中進(jìn)行，采用氬氣為保護(hù)氣和載粉氣，手套箱內(nèi)配備有一臺(tái)預(yù)熱爐，對(duì)基材進(jìn)行同步的預(yù)熱和保溫。激光立體成形工藝參數(shù)如表1所示。

成形后，使用線切割沿垂直于激光束掃描方向切割試樣，按標(biāo)準(zhǔn)金相制樣方法制備試樣，腐蝕劑為15 mL HF+35 mL HNO+75 mL H2O的混合液，利用 OlvmpusGX71光學(xué)顯微鏡(OM)對(duì)試樣進(jìn)行宏觀組織觀察。試樣經(jīng)電解腐蝕后用TESCAN VEGAII-LMH掃描電鏡(SEM)觀察其顯微組織形貌，電解腐蝕在12mL HPO+40mL HNO+48mLHSO混合溶液中進(jìn)行，腐蝕電壓為6V，腐蝕時(shí)間為5s。

2 結(jié)果與討論

2.1試樣宏觀晶粒形貌

激光立體成形參數(shù)如激光功率P、掃描速度 V、光斑直徑D和送粉量Q等不但影響成形件的質(zhì)量，還將通過(guò)影響熔池中的溫度梯度和凝固速度來(lái)影響凝固組織，從而決定激光立體成形試樣最終的凝固形態(tài)12] Gumann等[13]利用最新的凝固理論成果，對(duì)高溫合金 CMSX-4激光熔池中固液界面前沿等軸晶和柱狀晶的轉(zhuǎn)化(CET)進(jìn)行了計(jì)算。表明不同的工藝參數(shù)組合可以得到不同的凝固顯微組織。

圖la顯示激光立體成形K465合金單道多層試樣的橫截面宏觀組織。圖中A區(qū)為鑄件基材區(qū)，B區(qū)為熱影響區(qū)，C區(qū)為激光沉積區(qū)。在A區(qū)域可以看到粗大的枝晶形貌，如圖1b，這是K465合金常規(guī)鑄造條件下形成的組織特征。圖1c顯示了鑄造條件下的微觀組織特征?；闹泻写罅康牧⒎綘钕?，少量團(tuán)狀

y+y共晶和塊狀的尺寸大小不等的MC碳化物，同時(shí)還有微量呈白色絲狀不連續(xù)分布在晶界的硼化物。從圖 lc中還可以看出，晶界上的γ相呈鏈狀分布，平均尺寸是1.88um，晶內(nèi)的γ相的平均尺寸是0.73μm。

B區(qū)域是一個(gè)寬度不足200um的弧形區(qū)域，顏色較亮，這是鄰近沉積區(qū)的基材部分的原始組織受到激光立體成形中的再熱影響，發(fā)生相變后所形成的區(qū)域。C區(qū)域激光沉積區(qū)呈宏觀層帶結(jié)構(gòu)，層與層交界處有一條弧線，兩弧線之間的距離與單層沉積的層高相當(dāng)，沉積區(qū)域呈現(xiàn)細(xì)密柱狀枝晶組織特征。

圖1d是采用偏振光觀察的沉積區(qū)中上部的宏觀組織形貌。從圖中可以看到，沉積區(qū)中心區(qū)域(圖中D區(qū)域)內(nèi)柱狀晶粒尺寸較為粗大，而在沉積區(qū)邊緣包圍了一圈細(xì)小的等軸晶(圖中E區(qū)域)。D區(qū)域粗大的柱狀晶粒是因?yàn)樵诩す饬Ⅲw成形中熔池中心區(qū)域存在沿沉積方向較大的溫度梯度，使得自基材外延生長(zhǎng)的柱狀晶通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)淘汰，形成了趨向于沉積方向生長(zhǎng)的粗大柱狀晶。

E區(qū)域的細(xì)晶區(qū)是由于沉積試樣的外層與周圍的空氣接觸，熱交換充分，冷卻速度快，過(guò)冷度大，同時(shí)，近邊緣處熔池的溫度梯度趨向于垂直試樣表面，導(dǎo)致熔池側(cè)面區(qū)域形成大量的晶核，晶核來(lái)不及充分長(zhǎng)大，就與其他晶粒接觸而停止生長(zhǎng)，形成了表層的細(xì)晶區(qū)。

2.2試樣枝晶形貌

圖2a是沉積區(qū)底部OM組織，圖2b是其局部放大的照片。從圖中可以看出，在熱影響區(qū)與沉積區(qū)的結(jié)合界面處存在寬度約為4um的白亮區(qū)域，這種白亮組織主要是因?yàn)樵诔练e區(qū)第1層成形時(shí)，熔池的底部溫度梯度大，而其凝固速率較低，熔池底部的液態(tài)金屬進(jìn)行典型的平界面凝固生長(zhǎng)所形成。

在白亮組織之上的區(qū)域，可以看到細(xì)小的柱狀枝晶列，這是因?yàn)殡S著離熔池底部距離的增大，溫度梯度逐漸減小，界面生長(zhǎng)速率逐漸增大，導(dǎo)致平界面失穩(wěn)而滿足枝晶生長(zhǎng)的條件。有意思的是，在部分沉積層間，也就是單沉積層柱狀晶區(qū)的頂部，還可以觀察到趨向于平行掃描方向生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)向枝晶區(qū)(圖2c)。

轉(zhuǎn)向枝晶的產(chǎn)生主要是因?yàn)樵谌鄢氐捻敳?，溫度梯度的方向?qū)⒂傻撞看怪睊呙璺较蛑饾u轉(zhuǎn)變?yōu)轫敳康慕咏踔疗叫袙呙璺较?，?dǎo)致沿平行掃描方向的枝晶占據(jù)有利的生長(zhǎng)地位，從而出現(xiàn)枝晶生長(zhǎng)方向改變的現(xiàn)象。

由于近試樣底部，基材的冷卻強(qiáng)度較大，使得進(jìn)行下一層熔覆沉積時(shí)重熔深度較小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向枝晶區(qū)無(wú)法被完全重熔，進(jìn)而留存下來(lái)而成為下一熔覆沉積層的外延生長(zhǎng)基底，阻斷了前一熔覆沉積層組織的進(jìn)一步外延生長(zhǎng)。圖2c是轉(zhuǎn)向枝晶橫截面的高倍OM照片，從圖中可以看出，轉(zhuǎn)向枝晶同樣呈現(xiàn)典型的柱狀枝晶列生長(zhǎng)。圖2d是轉(zhuǎn)

向枝晶的高倍SEM照片，從中可以看到，轉(zhuǎn)向枝晶的平均一次臂間距大概在10um左右，枝晶間存在共晶相組織。在圖2a中轉(zhuǎn)向枝晶頂部區(qū)域，可以看到類似于第1層底部的柱狀枝晶區(qū)，這說(shuō)明此區(qū)域已經(jīng)進(jìn)入第2層沉積區(qū)域范圍，組織特征與第1層類似，只是呈現(xiàn)出從轉(zhuǎn)向枝晶區(qū)進(jìn)行外延生長(zhǎng)的柱狀晶生長(zhǎng)特征。

隨著熔覆沉積層數(shù)的增加，往復(fù)熔覆的熱積累效應(yīng)導(dǎo)致熔覆沉積層的重熔深度不斷增加，轉(zhuǎn)向枝晶區(qū)逐漸減小并消失。圖3給出了當(dāng)熔覆沉積層頂部轉(zhuǎn)向枝晶區(qū)被完全重熔后的沉積區(qū)層與層結(jié)合區(qū)域附近的形貌照片。

從圖中可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)向枝晶區(qū)被完全重熔后，不同沉積層組織將實(shí)現(xiàn)連續(xù)的外延生長(zhǎng)，僅是在沉積層間，由于底部枝晶為前一熔覆層頂部較低溫度梯度下形成的粗大發(fā)達(dá)的柱狀枝品，而頂部枝晶為

后一熔覆層底部高溫度梯度下形成的二次臂退化的柱狀枝晶，產(chǎn)生了不同熔覆沉積層間層帶現(xiàn)象。

2.3強(qiáng)化相分析

2.3.1 相

圖4a和圖4b分別為熔覆層交界處及熔覆層內(nèi)y相形貌特征。從圖中可以看出，不論是在沉積層內(nèi)還是在熔覆層與層的交界處，枝晶干y相均排列致密，尺寸較小，而枝晶間的v相則尺寸較大。鑄造條件下 y'相在枝晶干和枝晶間的尺寸差異已有報(bào)道。

在 Rene88DT鎳基高溫合金的激光立體成形中，Lin14發(fā)現(xiàn)，v'相在枝晶于上的尺寸要小于枝晶間。分析認(rèn)為，這主要是因?yàn)関相形成元素Ti容易在枝晶間偏析，Ti元素在枝晶間的偏析一方面造成晶界上的v相固溶溫度高于晶內(nèi)，在冷卻過(guò)程中，晶界上的相在較高溫度下首先析出;另一方面，根據(jù)LSW粗化理論[5，y相形成元素Ti在晶界的富集也導(dǎo)致晶界y相的粗化速度要比晶內(nèi)快，因此枝晶間y相相比于晶內(nèi)尺寸較大。

從圖中還可以看出，熔覆層交界處枝品間和枝晶干的 y相尺寸分別約為90和70nm，二者皆比熔覆沉積層內(nèi)的枝晶間和枝晶干上的γ相尺寸(約74和47nm)略大。這主要是因?yàn)?，在逐層沉積時(shí)，激光束會(huì)對(duì)下一層頂部區(qū)域產(chǎn)生再熱作用，促使此區(qū)域的相進(jìn)一步長(zhǎng)大，因此尺寸略微大于層內(nèi)區(qū)域。

2.3.2MC碳化物

圖5a是沉積試樣底部MC碳化物組織形貌。其中

在柱狀枝晶間分布有大量呈花團(tuán)狀的MC碳化物。從圖5b高倍SEM照片中可以看到，碳化物不斷分叉，枝條細(xì)密，分布在枝晶間。圖5c為沉積試樣中部MC碳化物的組織照片?？梢钥闯觯藚^(qū)域枝晶相比底部二次臂更為發(fā)達(dá)，枝晶間同樣分布有大量的MC碳化物。冬5d為此區(qū)域高倍 SEM 照片。

可以看到，短棒狀和錨狀碳化物在晶界和枝晶間出現(xiàn)。圖5e是沉積試樣頂部MC碳化物形貌的SEM照片。從圖中可以看出，沉積試樣頂部的枝晶更為粗大發(fā)達(dá)，在枝晶間、晶界上分布有較多的棒狀MC碳化物。圖5f是圖5e局部區(qū)域中出現(xiàn)的一個(gè)頂角略微有些伸長(zhǎng)的八面體狀的 MC碳化物形貌。

以往的研究表明[16-21，MC碳化物通常以八面體形貌形核。而MC碳化物的最終形貌是由其生長(zhǎng)速率、生長(zhǎng)空間以及成分條件共同決定的。

K465合金在凝固過(guò)程中，在枝晶間溶質(zhì)富集的液體中會(huì)發(fā)生L→MC+v的共品反應(yīng)。MC是共品相中的主導(dǎo)形核相，MC碳化物為了維持其界面前沿的成分條件，和y相協(xié)同生長(zhǎng)[18。在激光立體成形過(guò)程中，沉積試樣底部的激光熔池由于受到基材的強(qiáng)冷作用，冷卻速率大，易有較多的碳化物核胚生成。

隨著碳化物的生長(zhǎng)，八面體的核胚會(huì)變得不穩(wěn)定，進(jìn)而有大量薄且長(zhǎng)的枝晶臂從碳化物核坯頂點(diǎn)擴(kuò)展出來(lái)，在枝晶臂上又會(huì)按照側(cè)向臺(tái)階機(jī)制擴(kuò)展，并會(huì)在一些具有面缺陷的臺(tái)階上出現(xiàn)分叉生長(zhǎng)。因此，可以看到底部MC碳化物枝條非常細(xì)密。

在沉積試樣中部，由于往復(fù)熔覆沉積的熱積累，熔池的冷卻速率減小，因此MC碳化物分叉減弱，形核后的MC碳化物從頂點(diǎn)長(zhǎng)出枝晶臂，并且擴(kuò)展了一定長(zhǎng)度后停止。因此，在沉積區(qū)中部有大量呈現(xiàn)短棒狀的MC碳化物，且碳化物八面體失穩(wěn)形成的特征仍被保留下來(lái)。

在沉積試樣頂部，熱積累作用導(dǎo)致的熔池溫度梯度進(jìn)一步降低，使得此處的柱狀枝晶變得更為粗大，同時(shí)，冷卻速率進(jìn)一步降低，碳化物除了有棒狀的特征，還有少數(shù)的八面體的特征。此時(shí)，局部某些位置上的碳化物在形核后能夠滿足近平衡增大的條件，僅在頂角長(zhǎng)出很短的枝晶臂。因此，看起來(lái)就像是初始形核的八面體形貌。

3結(jié)論

1采用激光立體成形技術(shù)可以制備K465高溫合金試樣。試樣內(nèi)枝晶呈現(xiàn)明顯的沿沉積方向外延生長(zhǎng)特點(diǎn)，在接近試樣底部的部分熔覆層頂部出現(xiàn)轉(zhuǎn)向枝晶區(qū)。試樣中心區(qū)域內(nèi)晶粒粗大，頂部邊緣區(qū)域晶粒細(xì)小。

2成形試樣呈宏觀層帶結(jié)構(gòu)，熔覆層交界處的v相尺寸略大于層內(nèi)的相，枝品間的y相尺寸略大于枝品干上的γ相。

3成形試樣中MC碳化物呈現(xiàn)多種形貌，底部存在分叉發(fā)達(dá)的花瓣?duì)頜C碳化物，中部有較多短棒狀 MC 碳化物，頂部存在棒狀和八面體狀的MC碳化物。