【摘 要】
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激光立体成形技术在小型零件高精度成形和大型构件高效率成形两方面已经取得了大量的成形实践。然而,效率与精度成反比是激光立体成形技术的一条基本工艺规律,这使得大型复杂构件的激光立体成形过程通常难以同时兼顾高效率和高精度。目前,将激光立体成形的高效增材近净成形与机械加工、电解加工等的近净减材加工相结合,进行组合成形制造已逐渐成为解决这一矛盾的重要途径。相比机械加工,电解加工技术具有工具阴极无损耗、材料去
【基金项目】
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国家自然科学基金专项基金项目(51323008); 科技部国家重点研发计划(2018YFB1105901);
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激光立体成形技术在小型零件高精度成形和大型构件高效率成形两方面已经取得了大量的成形实践。然而,效率与精度成反比是激光立体成形技术的一条基本工艺规律,这使得大型复杂构件的激光立体成形过程通常难以同时兼顾高效率和高精度。目前,将激光立体成形的高效增材近净成形与机械加工、电解加工等的近净减材加工相结合,进行组合成形制造已逐渐成为解决这一矛盾的重要途径。相比机械加工,电解加工技术具有工具阴极无损耗、材料去除速率快、表面成形质量好等特点,并且该技术不受材料本身强度、硬度等力学性能的限制。基于此,本文以目前在航空发动机和燃气轮机领域应用广泛的Inconel 718镍基高温合金为对象,围绕Inconel 718合金的激光/电解组合精确成形所涉及的相关基础科学问题,开展了激光立体成形Inconel 718合金表面形貌和显微组织方面的研究,力求揭示激光立体成形工艺参数对表面形貌的影响机制、激光熔池凝固条件与沉积态组织特征的相关性,并在此基础上,研究了沉积态Inconel 718合金试样不同截面上的钝化和超钝化行为,并揭示了沉积态Inconel 718合金中组成相的阳极溶解行为,最终明晰了激光立体成形工艺参数、沉积态Inconel 718合金显微组织特征和电化学阳极行为之间的对应关系。取得的主要研究结果如下:(1)揭示了激光立体成形工艺参数对沉积态Inconel 718合金表面形貌的影响机制。激光立体成形过程中的搭接率直接影响了沉积态Inconel 718合金试样的上表面形貌,而Z-轴抬升量和扫描策略直接决定了沉积态Inconel 718合金试样侧表面形貌;另外,随激光体能量密度的增大,激光立体成形Inconel 718合金试样上表面变的愈加平整。(2)激光立体成形Inconel 718合金的沉积态组织主要表现为沿沉积方向外延生长的、具有<001>纤维织构的柱状晶组织;而晶内亚结构则主要呈现为列状γ枝晶、Nb偏析区和枝晶间γ/Laves共晶相以及少量的γ/(Nb,Ti)C共晶相;在微观偏析方面,Ni、Fe和Cr等元素在枝晶干富集,而Nb、Mo和Ti等元素在枝晶间富集;另外,试样顶部存在柱状晶/等轴晶转变(Columnar equiaxed transition,CET)层,不连续的等轴晶层厚度在0~500μm范围内变化;γ枝晶的一次枝晶间距随激光线能量密度的增大而增大,枝晶间的γ/Laves共晶相形貌随冷却速率(GR)的增大由粗大状变为细小离散状。(3)明晰了激光立体成形Inconel 718合金不同截面的钝化和超钝化行为。沉积态Inconel 718合金在10wt.%的Na NO3溶液中的极化曲线呈现为典型的“活化—钝化—超钝化”类型;随电极电位的升高,钝化膜的电阻值表现为“增大—稳定—减小”的变化趋势;在电极电位0.9 V(相对于饱和甘汞电极)处恒电位保持10 h后所形成的钝化膜由Ni、Fe、Cr、Ti、Mo和Nb的氧化物组成,包括Ni2O3或Ni OOH或Ni(OH)2、Fe OOH、Cr2O3、Ti O2、Mo O2、Nb O2以及Nb2O5,钝化膜较薄,且具有p-型半导体导电特性。同时,该钝化膜的存在使得沉积态Inconel 718合金尽管在组织上存在各向异性,但是钝化电流体现为各向同性。(4)厘清了从低电流密度到高电流密度的阳极过程中阳极电流所遵循的规律,建立了Inconel 718镍基高温合金在流速为1.78 m/s的Na NO3电解液(10wt.%)中的电流-电极电位选择图谱。阳极过程初期,电流受活化极化控制,符合Tafel关系(7)9)?()∝(1);随后很快进入钝化区,由于钝化膜的p-型半导体导电特性,钝化电流仍符合Tafel关系(7)9)?()∝(6(1);进入超钝化区后,钝化膜逐渐溶解变薄,此时主要进行析氧反应和金属阳极溶解反应;当钝化膜完全破裂后,阳极电流重新符合Tafel关系,直至金属离子来不及扩散时,阳极过程受质量传输控制,此时阳极电流保持恒定。(5)掌握了激光立体成形Inconel 718合金组成相的溶解行为。沉积态Inconel 718合金中Nb偏析区的阳极溶解速率比γ基体快,这主要是由Nb偏析区中晶格畸变能较大、Nb元素电极电位低以及相界处原子自由能高等所致;另外,当外加阳极电流密度为40 A/cm~2时,γ相的溶解速率为29μm/s,而Laves相的溶解速率几乎为零;大的电流密度可以获得较为平整的微观表面;沉积态试样水平截面和竖直截面的电流效率相同,且在低电流密度下电流效率较高,杂散腐蚀严重。
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