选区激光熔化成形TiN/Inconel 718复合材料组织及力学性能研究

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Inconel 718合金是一种时效强化的镍基高温合金,在航空航天、核能化工等领域具有重要的用途。随着现代工业的飞速发展,对Inconel 718合金零件的结构复杂度、尺寸精度以及力学性能的进一步提升提出了更高的要求。选区激光熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)能够克服传统制造方法中的几何限制、精度不足等问题,近年来受到业界重视。然而,SLM技术也存在一些不足,目前仅局限于少数几种金属粉末的成形,并且成形件存在孔隙率高、致密度低以及裂纹等缺陷。因此,开展SLM成形Inconel 718复合材料组织性能的研究,具有重要的理论和实际意义。本文采用优化的SLM工艺成功制备了纯Inconel 718合金和TiN/Inconel 718复合材料试样,主要研究了TiN颗粒加入及热处理工艺对试样微观组织和力学性能的影响规律。研究结果表明:激光工艺参数对试样的成形质量和显微组织具有显著的影响,试样致密度ρ随着激光能量密度E的增大呈先增后减的趋势,两者之间的关系式为:=-2.65072×10-42+9.447×10-2+90.9399。搭接率会改变扫描间距,从而影响组织的取向性。激光功率和扫描速度会影响熔化道的宽度和深度,高激光功率低扫描速度得到的熔化道形貌宽而深,而低激光功率高扫描速度得到的熔化道形貌窄而浅。综合试样成形质量和显微组织分析可知,优化的激光工艺参数为:搭接率45%、扫描速度550mm/s、激光功率150W。采用优化的选区激光熔化SLM工艺成形的TiN/Inconel 718复合材料试样中,TiN颗粒与基体之间紧密结合并形成过渡层,试样内部没有出现孔洞及裂纹,在热流方向上组织也呈外延柱状生长的特征。与纯Inconel 718合金试样相比,复合材料试样的显微硬度提高了39HV0.2,其耐磨损性能提升了41.6%,抗拉强度提高了114MPa。不同热处理后材料的微观组织具有明显的区别。双时效热处理后试样的组织没有发生明显变化;固溶时效热处理可以使试样在晶粒内部析出大量的针状δ相,同时也有超细球状γ’/γ’’强化相的析出;均匀化+固溶时效热处理后纯Inconel 718合金和TiN/Inconel 718复合材料试样的鱼鳞纹结构完全消失,且发生了完全再结晶,晶粒内部析出了适量超细球状的γ’/γ’’强化相,不同的是纯Inconel 718合金中针状δ相仅出现在晶界处,而TiN/Inconel 718复合材料的晶界处和晶粒内部TiN颗粒周围均出现较多的针状δ相,且δ相的尺寸更为细长。热处理后材料的力学性能发生了变化。相同热处理条件下复合材料试样的显微硬度和耐磨损性能均优于纯Inconel 718合金。热处理后试样的拉伸性能得到了明显的提高,其中经过均匀化+固溶时效热处理后纯Inconel 718合金和TiN/Inconel 718复合材料的抗拉强度分别为1570MPa、1430MPa,延伸率分别27.3%、21.0%,综合拉伸性能最佳。即经过均匀化+固溶时效热处理后复合材料试样的综合力学性能较好。基于本文的研究结果,SLM激光工艺参数优化、TiN陶瓷颗粒的加入、热处理均可以改善成形试样的微观组织和力学性能。对于TiN/Inconel 718复合材料而言,HSA热处理工艺更有利于改善其微观组织和力学性能。
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