引言

激光熔覆又稱激光增材制造技術，在零件再制造、綠色制造領域具有廣泛的應用。鎳基高溫合金 GH4169 材料具有優秀的物理性能和機械性能，且加工性能良好，各種形狀以及多種加工難度較高的零部件都可以用該鎳基合金來進行加工，在航空航天及石油化工等領域，該材料都有著十分普遍的應用。針對該材料的激光型材修復工藝研究具有重要研究價值。蔡軍等[1]進行常用于航空領域材料 FGH95 的激光熔覆工藝條件探究，獲得了加工工藝參數變化對于已修復試樣金相組織和力學性能的影響規律，并且提出了在激光熔覆過程中用來避免缺陷的措施；王輝明等[2]開展關于航空發動機渦輪盤篦齒的激光熔覆實驗，推出一種可實際應用的的修復方法。竇磊等[3]對于某型號航空發動機渦輪支承軸座內孔磨損故障問題，使用激光熔覆修復技術，證明激光熔覆修復后性能達到應用標準；卞宏友等[4-5]對航空領域普遍應用的材料鎳基高溫合金 GH4169激光熔覆技術開展廣泛研究，獲得了激光熔覆過程中工藝參數變化對于激光熔覆后材料組織及力學性能的影響規律。上述研究均取得了一定的研究成果。

激光熔覆后 GH4169 合金質量要達到或接近鍛件水平，而激光熔覆技術加工工藝參數的變化對制造過程中的熔池尺寸、凝固速度和溫度梯度等均會產生影響，進而對熔覆層的金相組織和力學性能產生影響。所以合理選用激光熔覆工藝參數，對于取得良好的零部件修復后性能非常重要。本文主要進行激光熔覆技術制備 GH4169 材料薄壁試樣性能分析，通過靜載力學實驗，分析不同工藝參數對其物理機械性能的影響。

1、GH4169激光熔覆制造工藝參數選擇

1.1研究材料與實驗設備

本文以鎳基高溫合金 GH4169 作為研究對象。GH4169 合金是以體心四方的 γ"和面心立方的 γ′相沉淀強化的鎳基高溫合金，國外牌號為 Inconel718。它在-253~700 ℃的溫度范圍內擁有非常良好的綜合性能，650 ℃以下的屈服強度在變形高溫合金之中排首位，并且擁有良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧化、耐腐蝕性能，還有著良好的加工性能、焊接性能和長期組織穩定性，可以用于制造各種各樣形狀復雜的零部件，在航空、核能、石油化工等行業中，在上述溫度范圍內有著非常廣泛的應用。

激光熔覆實驗使用的粉末材料是 GH4169 球形粉末，粉末粒度范圍為 53～150 μm，粉末化學成分比例如表 1所示。為了避免粉末中所含水分造成粉末粘結，影響熔覆層質量，對其進行 烘 干 處 理 ， 烘 干 工 藝 為 ： 120 ℃ 烘 干 2 h。 實 驗 中 使 用GH4169 合金鍛件為基體材料，尺寸為 120 mm×60 mm×10 mm。在金相組織檢測前，使用王水溶液對試樣表面進行腐蝕[6]。

使用大連理工大學機械工程學院可持續設計與制造研究所搭建的激光熔覆制造系統上完成本激光熔覆試驗，如圖 1 所 示。該系統由以下5個設備組成。

（1） 使用的半導體激光器是來自于 Laserline 公司，型號為LDF4000-100，它可以發射的最大激光功率為 4 400 W，擁有高達 45%的光電轉換效率，能夠發射波長范圍在 900~1 070 nm的激光。

（2） 使用來自于 KUKA 公司六軸工業機械手 KE30HA 完成同軸激光熔覆頭多自由度移動，進而進行多角度激光熔覆。

（3） 同軸激光熔覆頭型號是 Precitec YC52，該熔覆頭具有堅固且緊湊的結構，適用于較高的激光功率，能夠實現比較好的過程重復性。

（4） 采用來自于煜宸科技有限公司的 RC-PF-01B-2 型負壓式氣載送粉系統，送粉質量相對誤差可以控制在單位時間1%以內。

（5） 所使用的精密冷水機采用來自于同飛制冷設備有限公司生產的 MCWL-150T-01AK1S4，用來冷卻激光熔覆頭和半導體激光器，并且控制其溫度范圍15～50 ℃。

除了以上設備組成的激光熔覆系統之外，還需要使用金相變頻磨拋機和尼康光學顯微鏡 （MA 100） 對試件進行打磨、拋光和金相微觀組織觀測。

1.2工藝參數確定

本實驗要根據良好的單道單層激光熔覆工藝參數來制備鎳基高溫合金 GH4169 薄壁試樣，單道單層激光熔覆層質量對單道多層激光熔覆層質量有著非常重要的影響，選擇良好的單道單層工藝條件可以避免薄壁試件產生裂痕、孔洞等缺陷，因此首先需要選擇良好的單道單層激光熔覆制造工藝條件。在激光熔覆過程中激光功率、掃描速度和送粉量等 3 個工藝參數對熔覆層質量影響是最大的。一般而言，激光功率增加會使溫度增加，進而增加粉末融化量；掃描速度增加會減少單位時間內粉末受照射溫度，粉末融化量減少致使空洞增加。因此需要選用不同激光功率、掃描速度和送粉量這 3 個工藝參數配比制造單道單層激光熔覆試樣，分析試樣金相微觀組織，根據試樣的微觀金相組織選擇組織均勻致密、成型效果好試樣的工藝參數，用來制備薄壁試樣。

根據相關參考文獻對于鎳基高溫合金 GH4169 激光成形工藝參數的研究[7-8]，結合本實驗使用的激光熔覆制造系統，選擇進行實驗的激光功率范圍 P=800～2 000 W，掃描速度范圍vS=4～8 mm/s，固定送粉速度為 vf=9 g/min。根據正交試驗法對實驗參數進行分配，對比實驗的工藝參數組合如表2所示。

使用表 2 中所示工藝參數進行激光熔覆，獲得 9 個單道單層熔覆試樣，如圖 2 所示。用序號 1~9 表示通過不同工藝參數制備的激光熔覆試樣。

首先對激光熔覆后板材進行線切割切取試樣，使用亞克力樹脂進行鑲件，然后使用金相變頻磨拋機對試樣進行打磨和拋光，最后使用王水溶液進行化學腐蝕制作成金相樣品，如圖 3所示。

圖 4 所示為通過 9 種工藝參數組合制備的激光熔覆試樣微觀金相組織。通過對試樣熔覆層微觀組織進行分析發現，在試樣 5 的工藝參數下：激光功率1400 W、掃描速度 6 mm/s、送粉量9 g/min，熔覆層枝晶細密并且分布均勻，所以使用這個工藝參數組來加工GH4169合金單道多層薄壁試樣。

2、激光熔覆GH4169合金性能表征實驗

想要激光熔覆修復材料性能要求達到甚至超過新品，那么材料的拉伸性能對其使用性能產生了決定性作用。因此為了測試修復后材料性能是否可以達到預期的需求，需要檢測其拉伸性能。

選擇第 1.2節確定的制造工藝參數：激光功率 1 400 W，掃描速度6 mm/s，送粉率9 g/min。在上述工藝參數下，選擇往復式掃描方式制備薄壁試件，激光頭每次抬升量0.2 mm，利用激光熔覆技術制造鎳基高溫合金合金 GH4169 薄壁試樣，如圖 5所示。對圖中薄壁試樣進行線切割和拋光，獲得拉伸試驗標準試樣，拉伸實驗標準件尺寸及加工后所獲得的拉伸試樣如圖 6所示，拉伸試樣尺寸參照 《GB/T228.1-2010 金屬材料室溫拉伸實驗方法》 [10]設計，對激光熔覆拉伸試樣進行雙時效熱處理來消除制造過程中所產生的殘余應力。對熱處理后的試樣進行室溫拉伸實驗，因此可以獲得試樣的抗拉強度、屈服強度、斷后延伸率等物理力學性能。

目前鎳基高溫合金 GH4169 具有 3 種使用廣泛的熱處理方式[9]：時效處理、固溶處理、直接時效處理。根據使用場合的不同來使用不同的熱處理方式，熱處理可以提高鎳基高溫合金GH4169 的抗拉強度、抗沖擊性能，并且消除合金缺口敏感性和加工制造時產生的殘余應力。本文采用直接時效熱處理：首先在 720±10 ℃溫度下時效處理 8 h，然后以 50 ℃/h 的速度爐冷至 620±10 ℃，并且在這個溫度下時效處理 8 h，最后空冷至室溫。按照這個熱處理制度對材料進行處理后，材料中的 δ 相較少，可以增強材料的強度和沖擊性能。

3、拉伸實驗及結果分析

室溫拉伸實驗標準同樣參照參考文獻[10]，測試激光熔覆制造試樣的拉伸性能。對拉伸試樣進行直接時效熱處理。使用國產 WDSl00 型電子萬能材料試驗機進行室內拉伸試驗，試驗中所加載拉伸速率為2 mm/min，使用引申計記錄試件標距位移的變化。

通過獲得的拉伸曲線，計算出激光熔覆 GH4169 合金拉伸試樣力學性能。首先使用拉伸實驗獲得的實驗數據計算出應力應變值，然后通過計算擬合出試樣真應力-應變曲線，接下來通過曲線得到激光熔覆后材料的屈服強度、抗拉強度等參數。

通過測量拉伸斷裂后試件標距長度計算材料斷后延伸 率 。 激 光 熔 覆 GH4169合金拉伸試樣熱處理后室溫拉伸應力-應變曲線，如圖7所 示 。 由 圖 可 看 出 ，在 對 激 光 熔 覆 GH4169 合金拉伸試樣進行熱處理后其屈服強度為1052 MPa，抗拉強度為1314 MPa，斷后延伸率為 12.5%。根據中國航空材料工業手冊得知 GH4169直接時效熱處理后抗拉強度為1240 MPa，激光熔覆制造后材料抗拉強度為原始材料的105.9%，性能良好。

4、結束語

本文主要研究了鎳基高溫合金 GH4169 激光熔覆工藝參數變化對激光熔覆成型層微觀組織的影響，選擇良好的激光熔覆工藝參數制備薄壁試樣，并測量激光熔覆試樣力學性能。使用對比實驗來研究 9 種不同的激光功率、掃描速度和送粉量等加工工藝參數配合對激光熔覆成型層微觀組織的影響。通過分析獲知在激光功率 1 400 W、掃描速度 6 mm/s、送粉量 9 g/min時，激光熔覆成形層微觀組織分布均勻細密，質量較好。由此選擇該組工藝參數，制備 GH4169 合金拉伸試樣，并對其進行熱處理。通過拉伸實驗獲知，熱處理后抗拉強度為 1 314 MPa，根據中國航空材料工業手冊得知 GH4169 直接時效熱處理后抗拉強度為 1 240 MPa，激光熔覆制造后材料抗拉強度為原始材料的105.9%，性能良好。

參考文獻：

[1] 蔡軍 .基于 FGH95鎳基高溫合金粉末的激光修復基礎工藝研究[D]. 南京:南京航空航天大學, 2010.

[2] 王輝明,朱紅鋼,耿軍儒,等 . 渦輪封嚴盤篦齒激光熔覆修復工藝研究[C]//全國特種加工學術會議,2017.

[3] 竇磊,郭雙全,謝東,等 . 某型航空發動機渦輪支承軸承座激光增材修復研究[J].航空維修與工程,2017(6):53-54.

[4] 卞宏友,趙翔鵬,楊光,等 . 熱處理對激光沉積修復 GH4169 合金殘余應力和拉伸性能的影響[J]. 中國激光,2015,42(10):59-64.

[5] 卞宏友,董文啟,李英,等 . 工藝參數和掃描路徑對激光沉積修復 GH4169合金特征尺寸和應力的影響[J].應用激光,2016,36(6):649-655.

[6] 王常浩 . 再制造渦輪盤材料性能研究與壽命預測[D]. 大連:大連理工大學,2019.

[7] 卞宏友,趙翔鵬,楊光,等 . 激光沉積修復 GH4169 合金熱處理的組織及性能[J].中國激光,2015, 42(12):153-160.

[8] 張少平,隋尚,明憲良,等 . 激光修復 GH4169 高溫合金的組織與力學性能[J].應用激光,2015, 35(3):277-281.

[9] 中國航空材料手冊編輯委員會 .中國航空材料手冊－變形高溫合金鑄造高溫合金[M].北京:中國標準出版社,2002.

[10] 高怡斐,梁新幫,鄧星臨 .GB/T 228.1-2010?金屬材料拉伸試驗第 1 部分:室溫實驗方法?實施指南[M]. 北京:中國質檢出版社, 2012.

第一作者簡介：張晟 （1996-），男，河北唐山人，碩士研究生，研究領域為鎳基高溫合金激光熔覆。

※通訊作者簡介：劉淑杰 （1977-），女，副教授/博導，研究領域為增材制造及再制造、超精密表面形貌測量方法、故障預測與健康管理。

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