3D打印GH4169 高溫合金性能優(yōu)勢對比

材料成分與組織

生產(chǎn)中使用的GH4169 高溫合金粉末為粒度分布范圍為15 ～53μm 的球形粉，粉末形態(tài)如圖1 所示，相關(guān)的物理參數(shù)如表1所示。通過粉末材料和打印塊體樣品的合金成分對比可以發(fā)現(xiàn)，打印過程中由于合金元素的熔點(diǎn)及氧化(環(huán)境存在微量的氧)特性等差異，打印后樣品的合金元素含量普遍略有增加，如表2所示。

表1 GH4169 高溫合金粉末的物理參數(shù)

表2 GH4169 高溫合金粉末及打印塊體的合金成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1 粉末形貌

對3D 打印后的樣品進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)處理后的顯微組織如圖2所示，組織中未見明顯的裂紋、孔洞等缺陷，材料致密度為99.7%，在晶粒內(nèi)部和晶界均勻分布有球形析出納米顆粒。

圖2 3D 打印GH4169 樣品熱處理后的顯微組織

GH4169 強(qiáng)度分析

3D 打印的高溫合金存在比較大的內(nèi)應(yīng)力，一般需要進(jìn)行熱處理，熱處理包括去應(yīng)力退火、均勻化退火等，本文中3D打印的高溫合金樣品均按照中國航空材料手冊進(jìn)行GH4169的標(biāo)準(zhǔn)熱處理。熱處理后樣品在不同溫度下的拉伸性能與高強(qiáng)渦輪盤鍛件的性能對比如圖3 和圖4所示。整體上打印態(tài)樣品的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度略低于鍛造態(tài)樣品，差別都比較小，一般小于5%。打印態(tài)樣品的斷后伸長率和斷面收縮率較鍛造態(tài)較差，并且隨拉伸溫度增加兩者的差值越大?？紤]到打印態(tài)樣品的致密度為99.7%，和鍛造態(tài)樣品相比存在些許微觀缺陷，因此其塑性的不足表現(xiàn)比較明顯。不過打印態(tài)的樣品室溫和高溫條件下的拉伸性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)GJB713A-2020 以上，滿足實(shí)際使用要求。

圖3 3D 打印打印態(tài)和鍛造態(tài)GH4169 樣品不同溫度下的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度

圖4 3D 打印打印態(tài)和鍛造態(tài)GH4169 樣品不同溫度下的斷后伸長率和斷面收縮率

GH4169 高溫持久性能分析

表3 為打印態(tài)和鍛造態(tài)GH4169樣品的高溫持久性能，可以看出打印態(tài)樣品具有良好的高溫持久性能，并且優(yōu)于相同熱處理狀態(tài)下的鍛造樣品，這也說明3D打印的高溫合金構(gòu)件完全可以適用于高溫服役環(huán)境。

表3 不同狀態(tài)GH4169 樣品的高溫持久性能

GH4169 疲勞性能分析

表4 為打印態(tài)和鍛造態(tài)GH4169樣品的室溫疲勞性能，隨著應(yīng)力水平增加，疲勞周次降低，而打印態(tài)高溫合金即便在更高的應(yīng)力條件下，仍然具有優(yōu)異的疲勞性能，疲勞周次遠(yuǎn)高于鍛造態(tài)樣品。這可能是由于打印態(tài)樣品的成分、組織更加均勻，納米強(qiáng)化相的形態(tài)更優(yōu)，而鍛造態(tài)樣品中的枝晶偏析及沉淀相的形態(tài)可能導(dǎo)致其微觀組織的均勻性較差，使疲勞裂紋更容易萌生和擴(kuò)張。

表4 不同狀態(tài)GH4169 樣品的持久性能