激光修复成形GH4169／GH738高温合金的性能研究

发布时间:

2025-12-02

0 引言
在先进的航空发动机中，高温合金用量占材料总用量的40%~60%,其中，镍基高温合金是航空发动机使用最多的高温合金，GH738合金属于γ′相沉淀强化型高温合金，具有良好的耐燃气腐蚀能力、较高的屈服强度和疲劳性能，加工塑性好，组织性能稳定，被广泛应用于航空发动机涡轮机匣、涡轮盘等热端部件[1-2]。GH738合金零部件在恶劣环境下服役时易出现疲劳裂纹、磨损等失效方式。如果直接更换新的零部件，会导致生产成本较高；若将失效的零部件进行快速修复，则不仅会大大缩短维修周期，而且能大幅降低生产成本[3]。
激光增材制造是将快速原型技术的快速成形原理与激光熔覆技术结合起来，所形成的一种制造高性能致密金属零件的快速成形技术[4]。激光修复技术是基于激光增材制造技术而迅速发展起来的一种快速响应修复技术，主要用于制造过程中的误加工损伤零件以及服役过程中失效零件的快速修复，只需把缺损零件看成是一种特殊的基材，按缺损部位形状进行激光立体成形即可恢复零件原有形状，修复后零件的成分组织和性能仍可达到锻件的标准，就相当于修复成为新零件[5-7],在再制造工程领域展示出广阔的应用前景。
采用同材质粉末修复GH738合金进行热处理后，修复区硬度高于基材硬度[8]。根据激光修复成形的技术特点，采用同材质粉末修复GH738合金后修复区的强度高于基体，塑性则低于基体，对修复零件的综合力学性能产生不利影响。采用不同合金粉末为原料，根据基体的力学性能对修复合金的成分进行改进，实现修复区与基体力学性能匹配，不仅能够提高修复零件的综合力学性能，也使得激光修复高温合金技术的柔性化程度进一步提高。
GH4169合金和GH738合金类似，都具有较高的高温强度、持久强度、蠕变强度和良好的高温耐蚀性，也被应用于航空发动机热端整体零部件[2,9]。因此，可选用GH4169合金粉末进行GH738合金损伤零件以及服役过程中失效零件的快速修复，只需把缺损零件看成是一种特殊的基材，按缺损部位形状进行激光立体成形即可恢复零件原有形状，修复后零件的成分组织和性能仍可达到锻件的标准，就相当于修复成为新零件[5-7],在再制造工程领域展示出广阔的应用前景。
采用同材质粉末修复GH738合金进行热处理后，修复区硬度高于基材硬度[8]。根据激光修复成形的技术特点，采用同材质粉末修复GH738合金后修复区的强度高于基体，塑性则低于基体，对修复零件的综合力学性能产生不利影响。采用不同合金粉末为原料，根据基体的力学性能对修复合金的成分进行改进，实现修复区与基体力学性能匹配，不仅能够提高修复零件的综合力学性能，也使得激光修复高温合金技术的柔性化程度进一步提高。
GH4169合金和GH738合金类似，都具有较高的高温强度、持久强度、蠕变强度和良好的高温耐蚀性，也被应用于航空发动机热端整体零部件[2,9]。因此，可选用GH4169合金粉末进行GH738合金修复。目前，国内外学者有研究采用GH536合金粉末修复GH738合金[10],而采用GH4169合金粉末修复GH738合金的研究较少。
高温合金零部件在服役过程中易发生磨损、裂纹等失效情况，其中，高温持久以及疲劳性能指标极大影响到发动机的服役寿命和性能水平。本文采用GH4169合金粉末对GH738合金进行激光修复试验，对修复试样进行固溶＋双时效热处理，深入开展高温持久以及高温低周疲劳性能的研究，为异种材料的修复提供一定的基础。
1 试验
本文所述的激光修复试验在Metal+®1005型激光增材成形设备上完成。试验中基材选用GH738合金，化学成分见表1,基材尺寸Φ9mm×2mm。采用线切割将两端切平，一端切槽，用粗砂打磨基材表面以去除氧化皮，露出新鲜白亮金属表面，用丙酮进行清洗，并烘干。熔覆材料为GH4169粉末，粒度为100~150μm,化学成分见表2。试验前对GH4169合金粉末进行烘干处理。制备激光修复GH4169/GH738合金试样的工艺参数见表3。

按照表3中工艺参数制备的激光修复试样如图1所示。为了提高修复试样的力学性能，采用GH4169合金的标准热处理制度固溶(950℃,1h空冷）与双级时效(720℃,8h炉冷至620℃,8h空冷），对激光修复试样分别进行650℃、690MPa条件下的持久性能试验，依据HB5150—1996《金属高温拉伸持久试验方法》，制备高温持久试样，尺寸如图2所示，持久试验在机械式高温蠕变持久试验机(CTM504-A1)上进行。低周疲劳试验在455℃下进行，在液压伺服疲劳试验机(MTS370-100kN)上完成。在循环频率H=0.33Hz下，各试样均循环至断裂，依据GB/T15248—2008《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法》，制备高温低周试样，尺寸如图3所示。分析光学显微组织所用腐蚀剂为5gFeCl3+20mLHCl+75mLC2H5OH。

2 结果和讨论
2.1 显微组织
图4显示了激光修复GH4169/GH738合金的显微组织。从图4(a)中可以看出，基材与修复区的结合处（图中虚线所示）组织致密，没有裂纹、气孔等冶金缺陷，两者形成良好的冶金结合。由图4(b)可见，激光修复区组织呈现向外延连续生长的柱状晶组织，基本平行于沉积方向。

2.2 持久性能
在修复试样上选取3个试样进行高温持久试验。3个试样持久断口均位于GH4169合金修复区，表4为测试得到的高温持久试验数据，从表4中的数据可以看出，修复区试样的高温持久性能可以满足GH738合金要求，3号试样与1、2号试样有一定的差异，尽管所有的试样使用同种加工方式制备，但是在激光修复时受激光扫描路径的影响，试样组织凝固生长方向有一定的差异，同时可能会有气孔、未熔合、未熔粉等缺陷，对持久性能有一定的影响。

选取2号试样进行分析，图5显示了激光修复GH4169/GH738合金持久断口宏观形貌。根据断口形貌可知，断口分为两部分———裂纹的萌生扩展区（图5中A区）和最后断裂区（图5中B区），同时存在气孔缺陷，气孔的附近存在微裂纹。裂纹的萌生区域存在不同角度的断裂面，并且出现二次裂纹。在持久试验过程中，裂纹首先在裂纹萌生扩展区产生，而后逐步扩展。随着萌生扩展裂纹的不断扩大，应力不断增加，最后试样瞬时断裂，形成断裂区。图6显示了断裂区形貌。从图6(a)可以看出断裂区为混合断裂，既可以看到明显的韧窝形貌，属于穿晶断裂模式，也可以观察到少许沿晶断裂。从图6(b)可以看出韧窝尺寸比较均匀，在韧窝壁上出现了撕裂棱，残留少许微孔，在某些韧窝内部还能观察到细小颗粒。

根据GH4169合金的凝固过程[11]———L→γ+L→(γ+NbC)+L→γ+Laves(L为液体），在采用GH4169合金进行修复熔池的凝固过程中会有γ基体相、NbC和Laves相。Laves相作为脆性相，会导致断裂裂纹的萌生并为裂纹的扩展提供了有利的位置。根据早期研究，当固溶温度超过1080℃时[12],Laves相将固溶消失，本试验固溶温度低于1080℃,在690MPa下，随着时间的推移，当晶界处Laves相应力集中达到极限时，就会与晶界分离形成微观空洞，随着相邻空洞的扩大和连接，裂纹在晶界上扩展，同时气孔加快了裂纹扩展速率，最终以沿晶断裂的方式断裂。因此，3个试样出现差异，缺陷也是原因之一。综上所述，试样的断裂存在穿晶-沿晶的混合型韧性韧窝断裂模式，1、2号持久性能低于3号推测是由于气孔缺陷造成的。
由于激光修复成形凝固速度快，几乎观察不到δ相，δ相的析出温度范围为860~995℃[13]。本试验经过950℃、1h的固溶处理后，少量细针状δ相会沿晶界析出。δ相作为合金的稳定相，其含量、形貌及分布对合金缺口敏感性有着重要的影响，适量的δ相可以控制合金晶粒度，提高合金的塑性，并对晶界状态，晶界、晶内强度的匹配起着协调作用[12]。通过双时效处理可以进一步促进γ′和γ″相的充分弥散析出以强化合金，因此推测韧窝内部的小颗粒可能为强化相γ′或γ″相。
2.3 疲劳性能
在修复试样上选取4个试样进行轴向高温低周循环疲劳试验。试样疲劳断口均位于GH4169合金修复区，表5为测试得到的疲劳数据，循环次数高于喷射成形GH738合金，喷射成形GH738合金力学性能优于常规铸锻GH738合金[14]。从表5中的数据可以看出，五个试样的疲劳性能存在一定的分散性，同样由于激光扫描路径和冶金缺陷的影响，疲劳性能会有一定的差异。

选取3号和5号进行分析，图7显示了激光修复GH4169/GH738合金疲劳断口宏观形貌。疲劳破坏分为疲劳裂纹萌生、疲劳裂纹扩展和瞬时断裂3个阶段[15-16]。从图7可以看出，激光修复区试样的疲劳裂纹萌生处均位于试样边缘，萌生处有平台出现，疲劳萌生处出现有流向试样内部的河流花样，是一种明显的解理断裂模式，5号试样内部存在气孔缺陷。裂纹一般在表面的滑移带、冶金缺陷或晶界处产生，在疲劳载荷下试样的滑移面会出现挤出和侵入，形成应力集中，导致裂纹的萌生，形成了小平台。

疲劳裂纹形成后进入裂纹扩展区，图8显示了疲劳裂纹扩展区的形貌。从图中可以观察到疲劳辉纹。疲劳辉纹在局部区域近似平行，有的呈现弯曲或者波浪状。当应力的处于最小时，裂纹前端闭合；随着应力的增加，裂纹前沿由于应力集中逐渐达到最大应力，致使裂纹向前扩展，并使裂纹钝化；随着应力消失，裂纹又重新闭合锐化。如此重复，使裂纹不断向前推进，形成疲劳辉纹。从图8(b)可以看出气孔周围出现裂纹，表明裂纹的起源一部分是由缺陷的应力集中导致的，同时看到拓展区有微裂纹，在标准热处理后，晶界处析出δ相，在高温疲劳交变载荷的作用下，δ相会脱落，加大了裂纹敏感性，与基体的界面产生微孔，形成了微裂纹。表明此阶段裂纹扩展主要形式为穿晶扩展。

在交互载荷的作用下，裂纹在扩展区内不断扩展，高温低周疲劳由扩展区进入瞬断区，试样转变为穿晶韧窝扩展，在应力的作用下，试样最终断裂。图9显示了疲劳断裂区的微观形貌。从图中可以看出，断裂区主要由韧窝组成，韧窝的形状相差较大，韧窝尺寸不均匀，在断口上存在亮白色的撕裂棱。综上所述，试样的疲劳断裂为混合型断裂。

3 结论
(1)GH4169/GH738修复区的结合处冶金质量良好，修复区组织呈现向外延连续生长的柱状晶组织。
(2)激光修复GH4169/GH738合金高温持久试样的断裂位置在修复区，试样采用激光修复技术，通过固溶处理后晶界处析出Laves相，Laves相在晶界处应力集中，同时气孔缺陷促进了裂纹的扩展，导致裂纹在晶界扩展，最终断裂，呈穿晶－沿晶的混合型韧性韧窝断裂模式。
(3)激光修复GH4169/GH738合金高温低周疲劳试样的断裂位置在修复区，裂纹源位于试样表面、气孔附近，可以看到解理断裂的河流状花样，扩展区存在穿晶断裂的疲劳辉纹，形成混合型断裂模式。
(4)采用GH4169合金粉末修复GH738合金的高温持久和高温低周疲劳性能都可以满足常规铸锻GH738合金要求，可参考对GH738合金的热端零件进行修复，为高温合金航空件激光修复技术提供了试验依据和应用依据。
参考文献：激光修复成形GH4169/GH738高温合金的性能研究；杨雪坤1,王忠1,杨春蓉1,邓芝青1,王志成2；第43卷第6期2023年6月，应用激光
星尘科技作为国家级高新的技术企业，其稀有难熔金属球形粉末依托三十余年粉体研究经验研发而成，涵盖钨、钼、钽、铌等多种材质及相关合金、化合物产品。这些粉末采用射频等离子体球化技术制备，核心特点鲜明：纯度普遍达99.95%以上，含氧量低至300ppm以内，球形度高且表面光滑，无卫星球、极少空心颗粒，粒度分布均匀，流动性能优异，松装与振实密度表现稳定。常规粒度涵盖5-150μm范围，还可按客户需求定制。凭借可靠性能，这些粉末适配激光增材制造、热等静压、注射成型等多种工艺，广泛应用于航空航天高温部件、医疗器械骨科植入体、国防军工射线防护件等领域。其中医用级球形钽粉已实现批量化生产，助力近千例3D打印假体置换手术，相关产品通过第三方检测，达到国际领先水平。更多产品信息，欢迎联系我们的销售经理，郑经理13318326187.