【摘 要】
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增材制造技术以其无需模具,生产周期短等特点,为高性能、难加工材料零部件的加工与制造提供了一种新方案。但增材制造成形过程为非平衡凝固,易形成不均匀的微观组织,降低制件力学性能,制约增材制造技术的发展与应用。特种能场近年来不断被复合应用到增材制造,以改变增材制造过程中的凝固过程,进而改善微观组织与性能。特种能场辅助成形技术在改善高强难加工材料制造难题方面具有巨大潜力,其科学原理依然是当今的前沿科学问题
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增材制造技术以其无需模具,生产周期短等特点,为高性能、难加工材料零部件的加工与制造提供了一种新方案。但增材制造成形过程为非平衡凝固,易形成不均匀的微观组织,降低制件力学性能,制约增材制造技术的发展与应用。特种能场近年来不断被复合应用到增材制造,以改变增材制造过程中的凝固过程,进而改善微观组织与性能。特种能场辅助成形技术在改善高强难加工材料制造难题方面具有巨大潜力,其科学原理依然是当今的前沿科学问题。由此,本文采用超声微锻造辅助激光增材制造技术,在激光增材制造过程中引入超声场,制备了GH3039镍基高温合金单道单层和多道多层沉积层。通过光学显微镜,扫描电子显微镜和超声扫描成像仪等观测了原始沉积态和超声微锻造后激光增材制造GH3039合金沉积层的微观组织,利用纳米压痕仪,维氏硬度计和万能力学试验机对沉积层力学性能进行了表征与分析。研究了多物理场（激光场、超声场）耦合条件下增材制造GH3039合金沉积层的微观组织和力学性能特征和演变规律,并揭示了缺陷与晶粒主控工艺参数类别。结果表明,单道单层沉积层存在两种形态的晶粒,为主要分布在沉积层底部的柱状晶和顶部的等轴晶。超声微锻造引入超声场,产生的声流效应和空化效应使柱状晶生长前沿发生断裂、脱落,并重新进入固液共存区或熔池作为新的形核位点,发生非均质形核,促进柱状晶向等轴晶转变,增加等轴晶占比并细化等轴晶。在超声输入功率（Ultrasonic input power,UIP）为60%（300W）时,等轴晶占比最大,晶粒尺寸由16.0μm细化至10.0μm。超声微锻造后,晶界处析出尺寸小于5μm,颗粒状均匀的γ′和碳化物相。晶粒的细化和析出相的存在可提高沉积层显微硬度。随着UIP从0增加至90%,沉积层顶部区域等轴晶细化,显微硬度由295 HV提高至430 HV,提高了46%。而缺陷（如孔洞）的存在,会降低沉积层显微硬度。多道多层沉积层表面出现毛刺,边缘道次塌陷,为30%搭接率过小所致。沉积层内部缺陷包括层间间隙（未熔合区）,层内孔洞和微裂纹。超声微锻造后,层间间隙减少18.4%～39.6%,减小数值与距基板距离成正比;孔洞缺陷减少,相对致密度由98.3%提升至99.4%;微裂纹的萌生和扩展得到抑制。层数增加,温度梯度减小,沉积层底、中和顶部区域等轴晶占比增加,分别为15.1%,30.0%和56.3%;超声微锻造后,底、中和顶部等轴晶占比分别提升至31.9%,39.2%和60.1%。由于超声场作用深度有限,超声微锻造对沉积层底至顶部区域,实现柱状晶向等轴晶转变效果由111.3%降至6.7%,但对作用区等轴晶细化效果由5.0%增至23.7%。超声微锻造可减少缺陷和促进等轴细晶形成,提升显微硬度分布均匀性,改善沉积层层间界面结合。沉积层具有极好的塑性,但内部缺陷的存在会降低沉积层名义屈服强度σ0.2。此外,等轴晶相比柱状晶具有更好的应变协调能力,可在压缩变形过程中抑制微裂纹产生。激光功率、扫描速度与送丝速度的匹配性和搭接率是沉积层缺陷形成主控工艺参数;激光功率,扫描速度和超声输入功率是沉积层晶粒主控工艺参数。搭接率由30%提升为40%,扫描速度由2mm/s增大至3mm/s,送丝速度由15mm/s减小至10mm/s,激光功率保持为2.4kW,可获得单层层厚较小的沉积层,增大超声微锻造作用深度与单层层厚之比,进一步减少缺陷和细化晶粒。本文分析了超声微锻造辅助激光熔丝增材制造GH3039合金微观组织和力学性能,结果表明超声微锻造可以减少缺陷,促进等轴细晶的形成,提升显微硬度和改善界面结合。引入的超声场可持续作用于熔池且不受成形尺寸的限制,为逐层改善增材制造大型高性能关键零部件组织和性能提供了一种新思路。
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