【摘 要】
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激光增材制造Inconel 718媲美锻件的力学性能为其广泛应用奠定了基础,但在航空发动机涡轮盘等热端部件的潜在应用同时要求其具有优良的高温抗氧化性能。然而,激光增材制造Inconel 718元素偏析、第二相等枝晶微结构可通过改变局部氧化行为降低材料整体抗氧化性能,制约激光增材制造Inconel 718在航空、核电等领域应用。针对上述问题,本文通过研究激光增材制造Inconel 718枝晶间优先氧
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激光增材制造Inconel 718媲美锻件的力学性能为其广泛应用奠定了基础,但在航空发动机涡轮盘等热端部件的潜在应用同时要求其具有优良的高温抗氧化性能。然而,激光增材制造Inconel 718元素偏析、第二相等枝晶微结构可通过改变局部氧化行为降低材料整体抗氧化性能,制约激光增材制造Inconel 718在航空、核电等领域应用。针对上述问题,本文通过研究激光增材制造Inconel 718枝晶间优先氧化行为和形成机理,提出准连续激光增材制造成形结合均匀化热处理方法调控枝晶微结构,消除晶内优先氧化,成功制备高抗氧化性能激光增材制造Inconel 718,并将准连续激光组织调控方法和理论拓展应用于激光表面熔凝工艺制备超耐腐蚀铝合金表面。具体研究内容及结果如下:首先,通过观察激光增材制造Inconel 718枝晶间组织特征与优先氧化行为,解析氧化皮微观结构,计算优先氧化热力学、动力学与氧化增重权重,发现激光增材制造Inconel 718氧化增重kp达2.64×10-6 mg2.cm-4.s-1,比锻件高一个数量级,其中枝晶间优先氧化增重权重达70.12%。元素偏析和第二相导致枝晶间形成变形的细晶Cr2O3外氧化皮以及不连续的NbO界面层,促进氧和金属阳离子对流扩散,氧化皮中形成低氧分压梯度,枝晶间形成一系列复杂氧化物NbO2,NbO以及(Cr,Al)O,极大提升了过渡和扩散控制阶段氧化动力学。均匀化合金成分以及降低第二相尺寸和数量的调控方法可用于提高材料抗氧化性能。进一步,采用准连续激光增材制造Inconel 718调控微观组织,研究晶内和晶间氧化特性,解析了晶内氧化皮微观结构,测试了材料抗氧化性能。Nb偏析改善促进枝晶核形成部分氧化的NbO和δ-Ni3Nb混合界面层,有效阻隔O和Cr扩散,提高了枝晶核抗氧化能力。但枝晶间氧和合金元素通过界面贫Nb缺口快速扩散,将氧化皮中氧分压梯度进一步降低至2.46×104 atm/μm,导致形成Cr2O3内氧化区等高氧分压产物,制约了抗氧化性能的提高。氧和合金元素沿晶界短路扩散是晶间优先氧化主要机制。基于高抗氧化性能的微观组织调控需进一步提高枝晶微结构均匀性,同时保留沉积态晶粒尺寸和形貌。更进一步,研究了不同热处理制度和工艺参数条件下激光增材制造Inconel718微观组织演变规律,建立了降低元素偏析、减少第二相尺寸同时抑制再结晶的组织调控准则。准连续激光增材制造成形结合1060℃保温1小时均匀化热处理将枝晶间Nb偏析降低至6.53%,第二相尺寸减少至0.497μm,消除晶内优先氧化,连续分布富Nb界面层将氧化皮中氧分压梯度提高至1.61×105 atm/μm,氧化动力学显著降低,氧化增重kp减少至2.04×10-7 mg2.cm-4.s-1。调控枝晶微结构可将激光增材制造Inconel 718抗氧化性能提高至锻件水平。最后,将准连续激光组织调控应用于激光表面熔凝工艺提高2219铝合金抗腐蚀性能。研究了基板及不同激光模式表面熔凝层微观组织和腐蚀特性。传统连续激光表面熔凝枝晶间形成的长链状第二相是腐蚀萌生和扩展的优先位置,准连续激光表面熔凝工艺高冷却速率以及多向凝固行为将枝晶间析出相由长链状转变为细小离散颗粒状,将枝晶间Cu偏析由20.5%减少至12.3%。第二相的细化导致形成低缺陷密度钝化膜,Cu偏析减少降低了腐蚀驱动力,同时提高了熔凝层再钝化能力。
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