[00332653]激光增材制造镍基高温合金组织和性能调控机理研究

本成果研究航空发动机热端部件用镍基高温合金材料激光增材制造后的晶粒组织细化、显微组织均匀化和力学性能调控机理,主要涉及到高端装备高性能快速制造工艺、热处理过程中的再结晶形核和长大、电磁场作用下的熔池凝固和沉淀相析出、合金力学性能强化机理分析等基础问题,是材料成形领域国际学术研究前沿和热点,对我国*热端部件的快速和高性能制备有重要的支撑作用。本项目在国家自然科学基金、江西省自然科学基金、中国博士后科学基金、国家重点实验室开放基金等多个基金项目资助下,自2013年开始对激光增材制造镍基高温合金再结晶过程、显微组织均匀化过程、沉淀强化相析出过程、电磁场作用下液态熔池特殊凝固和固态相变过程、静载和动载荷作用下的材料强化机理等开展系统研究,取得了一系列创新成果： （1）提出了通过再结晶过程调控激光立体成形GH4169镍基高温合金晶粒组织的方法,实现合金晶粒组织的细化和晶粒尺寸的控制。激光立体成形GH4169镍基高温合金晶粒粗大和晶粒组织不均匀是导致其力学性能差的一大难题。本项目以激光立体成形过程中激光光源对基材和已成形块体材料的循环往复加热在材料内部造成了极大的残余应力作为驱动力,在大量实验基础上确定了合金完全再结晶温度,实现了合金晶粒尺寸的细化。并通过关联搭接率、残余应力分布和再结晶晶粒分布几个因素,通过搭接率的调控实现了材料内部晶粒尺寸的均匀化,有效避免了由于晶粒尺寸差异导致的材料失效。 （2）提出了激光增材制造镍基高温合金再结晶驱动力——残余应力的显微硬度压痕法测量技术,实现了微米尺度残余应力数值和分布规律的测量。针对激光增材制造材料逐点逐层成形特点,在道间、层间残余应力的分布对再结晶和晶粒细化过程密切相关。为定量描述残余应力在在微观尺度范围的分布问题,创新性采用显微硬度压痕法对残余应力进行了实验测量,获得了残余应力在道与道的搭接部位、单道内部等的分布规律。 （3）率先提出了激光立体成形镍基高温合金脆性Laves相的电磁辅助控制方法。激光立体成形GH4169合金中脆性Laves相的大量析出会极大降低材料强度和塑性,应该加以控制。项目提出了电磁搅拌辅助激光立体成形技术的方法,并开展了理论和实验研究。通过对激光立体成形过程中熔池施加电磁搅拌作用,促进了熔池内部液态金属的对流过程,有效减小了固液界面前沿溶质富集区宽度并增加了固液界面前沿温度梯度,避开了脆性Laves相形成条件,有效控制了脆性Laves相的形貌和体积分数。 （4）阐明了激光增材制造镍基高温合金显微组织与静载拉伸性能和动载疲劳性能的内在联系,揭示了激光增材制造GH4169镍基高温合金各向异性的消除、沉淀相在材料受载荷变形过程中的作用机理、成形环境气氛特别是氧含量对合金元素烧损和合金疲劳失效的影响、热等静压处理过程中材料组织变化及其对合金疲劳性能的改善机理、电磁搅拌在提高材料组织均匀性和力学性能中的作用机理等一系列材料强化机理,为激光增材制造镍基高温合金力学性能的提高提供了重要的机理、数据和理论支撑。 本成果完成国家自然科学基金项目1项、中国博士后科学基金项目1项、江西省自然科学基金项目1项、江西省教育厅项目1项、国家重点实验室开放课题项目1项。成功提出了基于静态再结晶的增材制造镍基高温合金晶粒组织控制方法,提出了微观区域残余应力的显微硬度压痕测量方法,提出了减少脆性Laves相体积分数的电磁辅助激光增材制造技术,从多个角度解释了激光增材制造镍基高温合金组织均匀化和力学性能强化机理。项目共发表学术论文30余篇,其中5篇代表作应用总次数294次,他引次数239次,单篇最高他引104次。