热处理对激光增材制造Ni-Si-B-(X)合金组织和性能的影响

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Deloro28镍基合金主要应用于玻璃模具行业,磨损失效是模具在使用过程中最主要的失效形式,如何保持模具优异的耐磨性和抗氧化性是需要重点解决的问题,行业内通常采用适当的热处理和添加合金元素的方式来改善合金的耐磨性。激光增材制造技术(LAM)因其可以制备出具有晶粒细小、成分均匀、性能优异的零部件而广泛应用于机械制造领域。本课题采用激光增材制造制备Ni-Si-B、Ni-Si-B+Ta和Ni-Si-B+Nb合金试样,并对Ni-Si-B-(X)合金试样进行固溶、时效、固溶+时效三种热处理。研究热处理和不同比例添加元素(Ta,Nb)对试样组织和力学性能的影响,其中重点研究耐磨性和冲击韧性问题。沉积态试样主要由γ-Ni,Ni3Si,NiC物相组成,固溶处理使试样的晶粒尺寸粗化,硬度降到最低(285.4 HV),固溶+时效处理使基体析出Ni3Si相,位错作用增强,显微硬度出现回升。热处理后的试样耐磨性均变差,基体中析出的Ni3Si相对提高试样的耐磨性有利。固溶处理后的试样冲击性能最差(3.64J/cm2),沉积态和时效处理的冲击断口为韧性断裂,固溶和固溶+加时效处理的冲击断口为准解理断裂。添加的Ta元素以固溶强化为主,主要进入γ’相生成新的Ni3(Si,Ta)相,添加1%Ta对晶粒的细化最为明显,添加3%Ta时共晶组织中出现Ta元素聚集,添加Ta使试样的耐磨性分别提高了 41.2%(25℃)和27.8%(200℃)。纳米硬度和弹性模量均随着Ta含量的增加出现一定程度的增长,冲击韧性降低到3.89 J/cm2,断口形貌从韧性断裂向脆性断裂转变。固溶处理使Ni3(Si,Ta)相向晶界处偏析,长期时效使Ni3(Si,Ta)相转变为细长的条形,固溶+时效处理使Ni3(Si,Ta)相在共晶组织中基本消失的同时在基体中析出少量Ni3(Si,Ta)相。固溶处理后试样硬度最低从而表现出最差的耐磨性,热处理后试样主要以脆性断裂为主,固溶处理后试样的韧性最差(3.72 J/cm2)。添加的Nb元素在固溶强化的同时还兼具沉淀强化作用,当添加10%Nb时,晶粒细化明显,在共晶组织中生成的Ni3Nb相使试样的硬度提高到512.72HV,耐磨性分别提高了 62%(25℃)和50%(200℃)。Nb元素在细化晶粒和生成硬质相Ni3Nb的同时,提高了试样的冲击韧性,冲击断口以脆性断裂为主。固溶处理后,共晶组织中主要由Ni3Si和Ni3Nb组成,长期时效对组织影响不明显,固溶+时效处理使富Nb Ni3Si在共晶组织中面积增大,同时在基体中析出颗粒状Ni3(Si,Nb)相。固溶后试样的显微硬度降到了最低值(341.8HV),表现出最差的耐磨性。固溶+时效后的试样硬度由于基体中Ni3(Si,Nb)相的析出,回升到了 450.48 HV,表现出最好的耐磨性。固溶+时效后基体中析出的Ni3(Si,Nb)相有利于合金韧性和纳米硬度的回升,固溶和固溶+时效冲击断口主要表现为沿晶断裂。
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