选区激光熔化成形WC/GH4169复合材料组织和性能的研究

选区激光熔化技术(selectivelasermelting, SLM)是增材制造技术中的一种粉末床熔炼技术，其原理是 利用激光选择性熔化连续层金属粉末并形成近网状零件。与其他增材制造技术相比,SLM技术可以制备出表面 质量好、尺寸精度高、内部缺陷较少的零件。近年来，选区激光熔化技术因其对几何复杂零件的设计和制造 具有高度灵活性而受到越来越多的关注，已逐渐成为金属增材制造的主流。

GH4169合金因其较优良的拉伸、蠕变、疲劳强度和持久强度，在工业燃气轮机、航空发动机和核反应堆 涡轮机等许多领域得到广泛应用，已成为航空航天领域中应用最为广泛、用量最多的高温合金&呵。但 随着科学技术的进步和高新技术产业的发展，传统的GH4169合金无法满足现代航空发动机所要求的高比强度 、高比刚度等性能要求。为了适应多种应用环境，就需要提升GH4169的综合性能。其中，颗粒增强金属基复 合材料在一定程度上满足了这种需求，目前，通过在金属基体中添加一定的高强度、高硬度的陶瓷颗粒来改 善材料性能成为金属基复合材料研究热点之一m切。然而，采用传统的方法生产颗粒增强金属基复合材料零 件，会导致致密化不足、颗粒微观结构和团聚不规律，孔隙和裂纹的产生以及颗粒与基体的润湿性也会影响 陶瓷颗粒对复合材料的增强效应问。而SLM由于其非平衡、快速熔化和凝固的特点，能够很好地解决颗粒与 基体之间的界面结合问题。Xia等网采用数值模拟与试验结合的方式，研究了 SLM参数对WC/Inconel718复合 材料微观组织及力学性能的影响。研究表明：随着激光扫描速度的提高，材料的显微硬度及抗拉强度明显提 高，延展率略有降低；当扫描速度从400mm/s提高到700mm/s时,材料晶粒明显细化。Nguyen等问成功制备了 WC含量不同的WC/Inconel718复合材料，并研究了 WC含量对Inconel718合金微观形貌及力学性能的影响。研 究结果表明：SLM参数设置合理时，可以得到几乎致密(99.54%)的复合材料；当WC含量为15wt% 时,WC/Inconel718复合材料的显微硬度和拉伸强度显著提高。Rong等阿采用选区激光熔化技术成功制备了 WCl-X/Inconel718复合材料，并研究了激光功率对复合材料零件的致密度、颗粒分布状态及显微组织的影响 。研究发现：当激光能量线密度为303 J/m时,WC1-X颗粒在基体中分布均匀，与基体结合良好，在WC1-X与基 体间存在梯度界面层，并对该扩散层进行了研究。研究表明：扩散层由(W,M)C3(M=Ni,Cr,Fe)组成,且其厚度 和微观形貌受施氢量的影响。关于选区激光熔化成形WC/GH4169复合材料摩擦磨损性能的研究还鲜有报道。 本文采用SLM技术制备了 GH4169合金和WC/GH4169复合材料，通过对比分析成形态的GH4169合金与WC/GH4169复合材料的组织和性能，为SLM成形高性能复合材料以及应用提供技术参考和理论依据。

1、试样制备和试验方法

1.1试验制备

试验采用气雾化法制备的GH4169高温合金粉末和球磨制备的WC粉末，粒径范围为15〜53μm,其 中.GH4169合金粉末的化学成分见表1。

将粉末材料按80%(质量分数，下同)的GH4169合金粉末和20%WC粉末，在YXQM-2L立式行星球磨机中进行 混粉，球磨转速为200r/min,球磨混合时间为4h。为防止其氧化，使用真空干燥机将球磨罐进行抽真空干燥 处理，为去除粉末中团聚的粉末颗粒,保证混合粉末良好的流动性，球磨后采用200目的筛网对得到的混合粉 末进行筛选。图1为WC/GH4169混合粉末的SEM形貌图。

试验采用EP-M150型SLM设备，制备GH4169合金和添加WC粉末的WC/GH4169复合材料。激光参数设置为:激 光功率为285W、扫描速度960mm/s、扫描厚度为30p.m.考虑到选区激光熔化成形过程中试样的快速加热及冷 却所产生的较大热应力问题,采用相邻层间的扫描路径夹角为67。的扫描策略。

1.2分析测试

为了方便对比，标记平行于打印方向的为横截面,垂直于打印方向的为纵截面，所有试样不同截面依次 通过280〜2000#砂纸打磨后，在抛光机(HYP-1)上进行抛光，将抛光后的样品进行腐蚀(3%HF +6%HNO3+91%HCL),腐蚀时间约为3〜7s。

采用金相显微镜(DMI8/MC190HD).扫描电镜(SU-1500)对 SLM 成型 GH4169 合金及 WC/GH4169复合材料 的表面形貌、金相组织进行观察、分析。采用HV-1000A显微硬度计、HSR-2M型高速往复摩擦磨损试验机进行 力学性能测试，硬度测试时载荷为500g,加载时间为10s,每个试样测10次求平均值得到显微硬度。摩擦对偶 选用直径为φ5mm的SisN。陶瓷球，法向载荷为15NO轮盘转速为360勤r/min,待磨试样保持静止，摩擦对偶做髙速往复运动，运行长度为5mm,测试时长为30min。

2、试验结果与分析

2.1 GH4169合金和WC/GH4169复合材料的成形态组织

图2为GH4169合金及WC/GH4169复合材料试样横截面的金相组织。从图中可以清楚的观察到SLM成形过程 中的扫描路径，相邻熔池间距约为80Fim,无明显微裂纹及微孔等冶金缺陷。表明该工艺制备的GH4169合金及 WC/GH4169复合材料的微观组织均匀且致密，成形良好。由图2(b)可以看出WC颗粒呈层片状形态均匀分布在 基体内。

图3为SLM成形GH4169合金及WC/GH4169复合材料纵截面的SEM组织形貌。由图3(a)可看出，合金以柱状结 构为主，大量柱状结构穿越熔池生长，且生长方向平行或者近似平行于成形方向。这是由于SLM成形过程中 ，在激光作用下，不仅未熔粉末完全熔化，前面己经凝固的部分再次被熔化，形成新的熔池。熔池的热量首 先通过熔池的边界传递给已经凝固的部分，然后再通过基板向外传递。由于熔池中固液界面前存在很大的正温度梯度和储存能，不具备形核条件，只能在已经凝固的晶粒方向上优先向熔池内部生长，从而形成了穿越多层生长的柱状结构。

与GH4169合金组织相比.WC/GH4169复合材料试样中柱状结构变得不明显，枝晶长度明显变细变短，且在 熔道内部析出相明显增多。这是由于WC颗粒熔点极高，选区激光熔化过程中WC颗粒无法完全熔化，残留的WC 颗粒使得熔池液体流动性变差。又由于WC颗粒的热导率低于基体，在熔池凝固时能有效阻碍热流传导，一定 程度上起到“热封”作用，这导致SLM成形过程中的快速凝固得到缓解，熔池内的各元素有更多的时间扩散，因此将会析出更 多的沉淀相。另外,WC/GH4169复合材料的晶粒较GH4169合金相比明显变小，说明WC颗粒的加入起到了细化晶 粒的效果。

2.2硬度试验

图4为GH4169合金和WC/GH4169复合材料成形件的显微硬度变化曲线。可看出.WC/GH4169复合材料试样的 平均显微硬度值为51&36HV,明显高于GH4169合金试样的显微硬度357.37HV,提高了 45.1%。这主要是由 于WC颗粒的加入一方面使组织细化，引起细晶强化，晶粒越细小，晶界越多，位错滑移阻碍就越大，强度、 硬度得以提高。另一方面WC颗粒的加入一定程度上引起了晶格畸变，在颗粒周围产生了局部应力场，应力场 对位错起到了有效的钉扎作用，使得WC/GH4169复合材料的性能得以提升。

2.3摩擦性能

图5为GH4169合金及WC/GH4169复合材料打印态的时间-摩擦系数关系曲线。从曲线可看出，WC/GH4169复 合材料的摩擦系数(最高1.0)明显低于GH4169合金的摩擦系数(最高1.5),且WC/GH4169复合材料的摩擦系数比 较稳定，波动范围小，这说明该复合材料的耐磨性有明显提高。这是因为WC颗粒通过液相直接析出，组织细 小均匀，且WC颗粒硬度高，能起到弥散强化和细晶强化的作用。

图6为GH4169合金及WC/GH4169复合材料试样打印态下的磨痕微观形貌。从图6(a)可看出，GH4169合金磨 损后的表面出现明显的剥层现象，且有大小不等、且凹凸不平的结疤，可见,GH4169合金以粘着磨损为主要 磨损机制。从图6(b)可看出.WC/GH4169复合材料的表面相对较为光滑，出现了细而浅的犁沟，仅有少量的剥 落,磨损量小且磨损痕迹不明显的。该复合材料中由于WC增强体在基体中均匀分布,磨损过程中能够很好的支 撑基体，提高了基体的耐磨性。

3、结论

(1) 采用SLM工艺制备了 GH4169合金和WC/GH4169复合材料,WC增强体以细小层片状均匀的分布在基体中 ，成形件表面光滑，致密度高，成形质量好。

(2) 添加WC粉末后,WC/GH4169复合材料的显微硬度、耐磨性明显提高,WC/GH4169复合材料硬度为518.36 HV,相比GH4169合金(357.37HV)提高45.1%；WC/GH4169复合材料的摩擦系数明显低于GH4169合金的摩擦系数 ，且WC/GH4169复合材料的摩擦系数比较稳定,波动范围小。

(3) 从组织上看，加入WC颗粒，原柱状晶结构变细变小,WC颗粒均匀分布在基体中，起到弥散强化和细 晶强化作用，使得WC/GH4169复合材料的硬度和耐磨性能提高。

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