高熵合金高性能构件激光金属沉积工艺研究

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难熔高熵合金因其优异的高温性能被作为高温结构件的候选材料,尤其是用于航空航天工业。由于高熔点元素的难加工性及高熵合金本身的特点,传统的制备方法极易形成部分元素的偏析,从而影响合金的性能。激光金属沉积技术通过高能量的激光将高熔点金属粉末熔化,其快速冷却的特点能够细化晶粒,减少元素偏析。激光金属沉积具有很高的加工柔性,能够实现复杂构件的近净成形,并且其原位合金化的特点还有利于高熵合金体系的开发。然而,沉积过程中因为过大的热应力极易产生裂纹缺陷,限制了激光沉积高熵合金的发展,对于难熔高熵合金复杂结构件的近净成形也难以开展。本文采用激光金属沉积技术在TC4基板上制备了大尺寸的Mo Nb Ta W难熔高熵合金块体。通过对不同扫描路径的研究,发现采用单元线段路径能够快速得到平整而少裂纹的Mo Nb Ta W难熔高熵合金块体。采用这种扫描路径,在不同的沉积工艺参数下成形了合金块体,通过成形块体的初始形貌和磨削后的表面细节分析了激光功率、扫描速度、保护气体流量、层间冷却时间和搭接率参数变化对沉积难熔高熵合金孔隙和裂纹形成的影响规律。确定了使合金块体产生最少缺陷的一组指导工艺参数:激光功率1200 W,扫描速度10 mm/s,保护气体流量10 L/min,冷却时间10×i s(i为沉积层数),单元线段长度1 mm。对激光金属沉积成形的块体进行了物相分析、微观组织表征和性能测试。采用X射线衍射进行物相分析,表明激光沉积的Mo Nb Ta W合金只存在BCC相。采用扫描电子显微镜观察了截面的微观组织,X射线能量色散谱对元素分布和原子比进行表征,发现形成了Ta和Nb的富集相,低熔点的Mo和Nb原子比与理论值间产生了微小负偏差。成形合金的平均显微硬度为846.4 HV。室温压缩性能最优异时,合金的平均屈服强度为1320.16 MPa,平均抗压强度为1855.11 MPa,平均断裂应变为15.92%。通过Python脚本生成机器人程序对激光金属沉积空心叶片的扫描轨迹及各IO信号等进行了编程。提出了采用扫描方向层间交替、修正提升高度补偿和分段扫描速度规划的成形方案解决薄壁复杂型面沉积时表面高度不均匀等问题,得到了激光金属沉积制备的Mo Nb Ta W难熔高熵合金空心叶片型面,成形件形貌符合设计要求,叶片型面上微观组织和显微硬度与块体材料相近。
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