GH4169簡介：

GH4169合金在-253～700℃溫度范圍內(nèi)具有良好的綜合性能，650℃以下的屈服強度居變形高溫合金的，并具有良好的耐輻射、耐氧化、耐腐蝕性能，以及良好的加工性能、焊接性能良好。能夠制造形狀復雜的零部件

該合金的另一特點是合金組織對熱加工工藝特別敏感，掌握合金中相析出和溶解規(guī)律及組織與工藝、性能的相互關系，可針對不同的使用要求制定合理、可行的工藝規(guī)程，就能獲得可滿足不同強度級別和使用要求的零件。機匣等零部件長期使用。

GH4169 的化學成分:

GH4169物理性能：

GH4169特性：

GH4169是Ni-Cr-Fe基沉淀硬化型變形高溫合金，長時使用溫度范圍-235°C～650°C,短時使用溫度可達800°C。合金在650°C以下強度較高

，具有良好的抗疲勞﹑抗輻射﹑抗氧化和耐腐蝕性能，以及良好的加工性能﹑焊接性能和長期組織穩(wěn)定性。

GH4169 應用：

合金已用于制作航空發(fā)動機、環(huán)件、機匣、軸、葉片、緊固件、彈性元件、燃氣導管、密封元件和焊接結構件等；制作液氫、制作核能工業(yè)應

用的各種彈性元件和格架；制作石油和化工領域應用的多種零件。

摘 要：目的 減輕不同熱處理狀態(tài)下激光增材制造高 Nb 含量 GH4169 合金組織中的微觀偏析。方法 采用激光增材制造方法對球磨 Nb 合金化后的合金粉末進行快速成形，獲得具有較高 Nb 含量的 GH4169 合金試樣。

通過光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡及能譜分析、維氏硬度測試方法，對沉積態(tài)、固溶態(tài)和直接時效態(tài)試樣進行分析，研究因合金中 Nb 含量變化引起的微觀偏析對沉積態(tài)和熱處理態(tài)合金的枝晶組織和顯微硬度的影響。

結果 隨著 Nb 含量的增加，一方面，由于枝晶間的 Nb 含量增加，枝晶間（γ+Laves）共晶數(shù)量增加，且共晶組織形貌更為連續(xù)；沉積態(tài)試樣的顯微硬度由 228.4HV 增大至 534.1HV。另一方面，枝晶干 Nb元素含量增加，枝晶干與枝晶間 Nb 元素含量的差異縮小，Nb 元素的偏析比由 8.59 減小至 4.13。

后續(xù)固溶處理后，枝晶結構逐漸消失，枝晶間 Laves 相的數(shù)量隨之減少，枝晶干與枝晶間的微觀偏析減輕；固溶態(tài)試樣硬度值隨之減小，減小趨勢隨固溶溫度的升高而逐漸平緩。

隨著 Nb 含量的增加，直接時效處理后，各試樣顯微硬度值在微觀區(qū)域內(nèi)的均勻性提高，枝晶干與枝晶間強化相的析出差異減小。

結論 合適的熱處理制度既可以實現(xiàn)合金元素的均勻化，還能減小枝晶干與枝晶間強化相的析出差異，減輕激光增材制造高 Nb 含量 GH4169 合金組織中的微觀偏析。

GH4169（國外牌號為 Inconel 718）合金是一種鎳鐵基變形高溫合金，具有良好的焊接性能和抗腐蝕性、良好的熱加工性能、較高的強度，是航空航天及石油化工、冶金礦山應用的關鍵性材料。隨著我國航空航天技術的發(fā)展，幾何形狀多樣、結構復雜、性能優(yōu)異的高溫合金結構件需求量也日益增大。目前的鍛造工藝還很難滿足幾何形狀復雜、尺寸精密等要求，這在一定程度上限制了 GH4169 合金的發(fā)展與應 用。

隨著計算機技術、激光技術、機械工程技術及 CAD/CAM 技術的發(fā)展，20 世紀 80、90 年代誕生了以激光熔覆技術和快速成形技術為基礎的金屬零件激光增材制造技術，這為獲得高性能的高溫合金開拓了新途徑[3-4]。

激光增材制造 GH4169 合金熔池凝固速度快，避免了材料中合金元素的宏觀偏析[5-10]，但是激光增材制造 GH4169 合金組織的亞結構為枝晶結構，枝晶間主要為(γ+Laves)共晶組織。特別地，GH4169 合金激光熔池在凝固末期形成了富含 Nb 的脆性 Laves 相，該相中 Nb 的質(zhì)量分數(shù)達到 22.4%[11]，而基體 γ 相中Nb 元素的含量大大低于枝晶間。

因此在微觀枝晶亞結構中，Nb 元素的偏析現(xiàn)象依然存在。Nb 是 GH4169合金中主要強化相 γ的主要形成元素，強化相的析出尺寸、位置與數(shù)量都直接影響著 GH4169 合金的使用性能。

Sui 等人[12-14]利用激光修復技術，較為系統(tǒng)地研究了 GH4169 合金修復件的組織與性能變化規(guī)律。

'研究發(fā)現(xiàn)，修復區(qū)沉積態(tài)顯微結構為枝晶結構，基材區(qū)為鍛態(tài)等軸晶。經(jīng)過直接時效處理后，強化相的分布均勻性也不相同，其中修復區(qū)的強化相 γ主要分布在 Nb 含量較高的枝晶間區(qū)域，而枝晶干區(qū)域很少有強化相 γ析出，甚至沒有強化相析出。

可見，GH4169中 Nb 元素的含量，尤其是 Nb 元素的偏析程度、枝晶干的 Nb 含量對 GH4169 合金的性能起到至關重要的作用。

為了更好地發(fā)揮合金組織和力學性能潛力，國內(nèi)外研究者多采用調(diào)整 Al、Ti 及 Nb 的相對比例，改變沉淀相的析出數(shù)量、形貌以及尺寸，從而達到提高組織穩(wěn)定性以及優(yōu)化性能的目的。

Cozar R[15]等人在Inconel 718 合金的基礎上調(diào)整了 Al、Ti 及 Nb 元素的含量，結果表明，當合金中 Ti+A1/Nb 原子比提高到0.9 甚至更高后，兩種強化相 γ及 γ會以“包覆組織"形式析出，提高了合金的組織穩(wěn)定性。

董建新等人[16]在 Cozar R 的研究基礎上，對不同 Ti+A1/Nb 原子比的 Inconel 718 合金進行了更高溫度及更長時間的時效處理，研究了調(diào)整成分后合金的時效硬化曲線，發(fā)現(xiàn)調(diào)整成分后合金的軟化原因不同于傳統(tǒng) Inconel 718 合金。為了保證調(diào)整成分后的 Inconel 718 合金的組織穩(wěn)定性和良好的力學性能，Du 等人[17-18]提高了合金中 Ti+A1/Nb 原子比，保證足夠的 Al+Ti+Nb 的量，還添加了質(zhì)量分數(shù)為 0.024%的 P 和 0.0096%的 B，發(fā)現(xiàn)調(diào)整成分后形成的 γ+γ包覆組織可以提高Inconel 718 的組織穩(wěn)定性，相比于傳統(tǒng)的 Inconel 718合金使用溫度提高了 30 ℃。

綜上所述，國內(nèi)外研究者在傳統(tǒng)鑄造工藝中實現(xiàn)了 GH4169 合金的合金化處理，但是由于 GH4169 合金容易在鋼錠凝固結晶過程中出現(xiàn) Nb 元素的宏觀偏析，導致冶金缺陷的形成，因而在對 GH4169 合金成分優(yōu)化時，合金中 Nb 元素的添加量普遍較低。考慮到激光增材制造熔池非平衡快速凝固的特點，可有效避免合金元素的宏觀偏析問題，保證材料連續(xù)成形，這提供了一條實現(xiàn)高溫合金中易偏析元素含量增加的有效方法，也為通過改變合金成分實現(xiàn) GH4169 合金組織改善與性能優(yōu)化提供了途徑。同時，通過不同的熱處理工藝來繼續(xù)對顯微組織進行調(diào)控，獲得更佳性能并掌握合金化后合金相變規(guī)律，也是一項重要的工作[19-24]。

本文通過球磨合金化制備了 Nb 合金化 GH4169合金粉末，利用激光增材制造技術成形了高 Nb 含量的 GH4169 試樣，研究了 Nb 元素含量變化對激光增材制造高 Nb 含量 GH4169 合金微觀偏析的影響，解釋了微觀偏析對沉積態(tài)、固溶態(tài)及直接時效態(tài)顯微組織與顯微硬度的影響規(guī)律，以期拓寬激光增材制造在GH4169 鎳基高溫合金零件的成形與修復領域的應用。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗采用的合金粉末為等離子旋轉電極法制備的球狀常規(guī) GH4169 合金粉末，顆粒尺寸約為 170 μm，粉末中各元素含量（質(zhì)量分數(shù)）為：Nb 4.91%，Al 0.63%，Ti 0.97%，Mo 3.18%，Mn 0.11%，Cr 19.68%，Ni 51.75%，F(xiàn)e 余量。所添加的 Nb 粉粒度為210~+320目，粉末的純度大于 99.9%。成形基材為 1Cr13Ni9Ti不銹鋼板材，尺寸為 80 mm×55 mm× 4 mm，在 80 mm× 55 mm 的平面上進行單道多層薄壁試樣的激光增材成形，成形高度約為 30 mm。

1.2 試驗方法與儀器

采用球磨合金化的方式將 Nb 元素添加到常規(guī)GH4169 合金粉末中，球磨合金化的具體方法為：將不同質(zhì)量的 Nb 粉與常規(guī) GH4169 合金粉添加到XQM-0.4 型立式行星球磨機中進行球磨加工，采用正反轉結合間歇性工作的方式，球磨機先工作 10 min，暫停 5 min 后反向繼續(xù)工作，球磨轉速為 300~ 500 r/min，每組球磨時間為 3 h。

激光成形前，用砂紙將基材打磨至光亮，去除氧化皮，然后用丙酮清洗，酒精擦拭，吹干備用。實驗所用的 Nb 合金化后GH4169 合金粉末中 Nb 質(zhì)量分數(shù)的設計值分別為：5.50%、8.50%、11.10%。成形前對合金粉末進行真空烘干除濕處理，烘烤溫度 120 ℃，烘烤時間 5 h，隨后爐冷至室溫。

激光增材制造試驗是在西北工業(yè)大學凝固技術國家重點實驗室建立的 6 kW 半導體激光增材制造系統(tǒng)上完成的。該系統(tǒng)包括：LDF 6000-60 型 6 kW 半導體激光器、數(shù)控工作臺、GTV PF2/2 型高精度雙路可調(diào)送粉器、四路同軸送粉噴嘴以及惰性氣氛保護罩。

激光增材制造時的成形參數(shù)為：激光功率 2500 W，掃描速度 600 mm/min，送粉率 25 g/min，光斑直徑5 mm，保護氣流量 4~6 L/min，Z 軸增量 0.3~0.4 mm。整個試驗在 Ar 氣氛圍中進行，送粉氣體和保護氣體均為 Ar 氣。

激光增材成形后，將每種成分的試樣沿沉積方向線切割成適當尺寸，進行組織觀察與力學性能測定。沉積態(tài)試樣經(jīng)砂紙打磨和機械拋光后，使用 5 g FeCl3+20 mL HCl+100 mL C2H5OH 腐蝕液腐蝕，利用MR 5000 型倒置金相顯微鏡（OM）進行顯微組織觀察。

利用 Nova Nano SEM450 場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）及其配套的能譜儀（EDS）對試樣進行成分測定，主要測量枝晶干中 Nb 元素的平均含量。采用SX2-5-12 箱式電阻爐對試樣進行固溶熱處理和直接時效熱處理。

固溶熱處理制度的具體參數(shù)如表 1。直接時效熱處理：720 ℃保溫 8 h 后，以 50 ℃/min 爐冷到 620 ℃，保溫 8 h 后空冷至室溫。固溶態(tài)試樣經(jīng)打磨拋光后，使用 1 g FeCl3+5 mL HCl+5 mL C2H5OH腐蝕，觀察枝晶顯微組織。顯微硬度數(shù)據(jù)通過401MVD 顯微硬度計采集，加載載荷 200 g，加載時間 15 s,每個試樣的硬度測量點不少于 15 個，取其平均值進行數(shù)據(jù)分析。

2 試驗結果與分析

2.1 Nb 合金化對沉積態(tài)試樣枝晶形貌的影響 圖 1 為激光增材制造 Nb 合金化 GH4169 合金沉積態(tài)試樣的枝晶形貌?？梢钥吹?，激光增材制造 Nb合金化 GH4169合金的顯微組織與激光增材制造常規(guī)GH4169 合金的基本一致，均為粗大柱狀晶組織，亞結構為細小致密的枝晶結構。

這反映出激光增材制造高溫度梯度快速凝固的特征，雖然消除了鑄造工藝中的宏觀偏析缺陷，但枝晶結構的存在表明在激光增材制造組織中還存在微觀偏析。

相比于激光增材制造常規(guī) GH4169 合金（圖 1a），激光增材制造 Nb 合金化GH4169 合金沉積態(tài)試樣的枝晶結構更加顯著，由常規(guī) GH4169合金中不發(fā)達的枝晶結構逐漸轉變?yōu)榘l(fā)達的枝晶結構（圖 1b—圖 1d）。

比較可見，激光增材制造常規(guī) GH4169 合金的枝晶結構主要是一次枝晶結構，二次枝晶臂不發(fā)達（圖 1a）；隨著 Nb 含量的增加，二次枝晶臂結構逐漸顯現(xiàn)，當 Nb 質(zhì)量分數(shù)達到8.50%時，二次枝晶臂結構已經(jīng)非常明顯（圖 1c）；當 Nb 元素含量繼續(xù)增加時，不僅二次枝晶臂變得更加發(fā)達，甚至出現(xiàn)了三次枝晶臂（圖 1d）。

枝晶的發(fā)達程度決定了枝晶間共晶組織的數(shù)量和形貌。從圖 1 可以看出，添加 Nb 元素后，越發(fā)達的枝晶組織中枝晶間共晶(γ+Laves)組織越多。GH4169 合金在凝固末期會發(fā)生 L→γ+Laves 共晶轉變，因此激光增材制造常規(guī) GH4169 合金的枝晶間顯微組織為(γ+Laves)共晶組織。由于 Laves 相是一種富Nb 相，所以隨著 Nb 含量的添加，枝晶間共晶(γ+Laves)的數(shù)量越來越多。

從形貌上看，隨著枝晶結構趨于發(fā)達，枝晶間共晶組織的形貌由原來的點塊狀彌散分布特征（圖 1a）逐漸變成連續(xù)的條狀分布特征（圖 1b 和圖 1c），最終形成連續(xù)網(wǎng)狀分布特征（圖1d）。

枝晶結構越發(fā)達，枝晶分支越多，各枝晶間的共晶組織的距離就會越近，同時越容易形成連續(xù)的條狀，甚至是網(wǎng)狀共晶結構。

熔池的結晶形態(tài)主要取決于熔池中熔體的溶質(zhì)濃度 C0、結晶速度 R 以及溫度梯度 G 的綜合作用[25]，溶質(zhì)濃度 C0 越大，溫度梯度 G 越小，結晶形態(tài)越向樹枝晶發(fā)展，枝晶特征越明顯。

在激光增材制造 Nb合金化 GH4169 合金的過程中，一方面隨著 Nb 含量的增加，溶液中的溶質(zhì)濃度 C0 不斷增大；另一方面，由于 Nb 粉在熔池中的合金化為放熱反應[26]，使得熔池的溫度梯度 G 整體減小，隨著 Nb 含量的增加，結晶形態(tài)由原來不發(fā)達的枝晶結構逐漸轉變?yōu)榘l(fā)達的枝晶結構。

2.2 Nb 合金化對合金元素枝晶間微觀偏析的影響

圖 2 為激光增材制造 Nb 合金化 GH4169 合金沉積態(tài)試樣的組織形貌及對應位置 Nb 元素線掃描分析結果，圖中線掃描均從枝晶干的中心位置經(jīng)過枝晶間到相鄰枝晶干的中心位置。

可以看出，Nb 元素的分布在枝晶結構中存在較為明顯的變化，在枝晶間區(qū)域含量多，而在枝晶干區(qū)域含量較少。枝晶間為(γ+Laves)共晶組織，存在富 Nb 的 Laves 相，因而枝晶間的 Nb 元素含量要高于枝晶干。

經(jīng)過合金化后，激光增材制造 GH4169 合金顯微組織中 Nb 元素的偏析現(xiàn)象依然存在（圖 2b—圖 2d）。值得注意的是，由于枝晶間形成了連續(xù)且呈網(wǎng)狀分布的共晶組織，使得Nb 元素的分布沿線掃描位置經(jīng)過了多個共晶區(qū)（γ+Laves），由于共晶 γ 相與共晶 Laves 相 Nb 含量差異較大，從而在相鄰枝晶干形成了如圖 2g 和圖 2h所示的多個 Nb 元素的峰值。

對圖 2 中枝晶干 γ 相和枝晶間 Laves 相進行成分統(tǒng)計，分別測量不同位置兩相的成分 3 次以上，并對其取平均值。定義枝晶間 Laves 相成分與枝晶干 γ 相成分之比為偏析比（Segregation ratio，SR），用偏析比來表示 Nb 元素在枝晶間與枝晶干的偏析程度，具體統(tǒng)計結果見圖 3。

隨著 Nb 元素添加量的增多，激光增材制造 Nb 合金化沉積態(tài)試樣枝晶干 γ 相中的 Nb含量呈上升趨勢。當合金中 Nb 元素質(zhì)量分數(shù)的設計值為 11.10%時，枝晶干 γ 相的 Nb 元素質(zhì)量分數(shù)達到最大值 7.53%；相應地，Nb 元素的偏析比隨著 Nb 元素添加量的增加呈下降趨勢，由激光增材制造常規(guī)GH4169 的 8.59 下降至 4.13。這表明添加 Nb 元素后，

激光增材制造 Nb 合金化 GH4169 合金中枝晶干與枝晶間的偏析程度得到一定程度的減輕，縮小了枝晶間 與枝晶干之間 Nb 含量的差別