激光直接堆积成形镍基高温合金及其抗高温氧化性能研究

论文摘要

高温合金是现代动力装置的重要材料,在航空、航天、能源动力等领域有着广泛的应用。本文以镍基高温合金K438为基材,在Inconel738合金粉末中添加不同质量分数的稀土氧化物Y2O3,采用激光直接堆积成形（DMD）技术获得表面平整、无气孔裂纹等缺陷并具有一定高度的成形件,并研究对比成形件与基体的抗高温氧化性能。本文分别对添加不同质量分数Y2O3和不同激光工艺参数作用下的成形件进行比较分析,采用扫描电子显微镜（SEM）和显微硬度计观察了成形件的宏观及显微组织形貌、硬度分布;采用X射线衍射仪（XRD）对成形件物相及成分进行分析;对成形件及基体进行高温氧化试验,运用SEM,XRD,能谱分析（EDS）等,对氧化试样表面、截面形貌,元素分布等进行观察分析,并绘制高温氧化动力曲线,对其氧化机理进行分析讨论。1.研究表明镍基高温合金激光直接成形中裂纹产生的种类与裂纹产生机理主要与熔覆层中残余应力的存在及孔洞杂质等缺陷有关。宏观裂纹在热应力的作用下在孔洞尖角处开裂并向成形件顶部延伸; B、Si等元素所生成的化合物偏析在晶界形成杂质容易产生微观裂纹。2.在最佳激光工艺参数2.2KW、1000mm/min作用下,在合金粉末中添加0.2%wt的Y2O3获得表面质量良好且具有一定高度的成形件。成形件具有定向生长且细化的枝晶组织,并生成与基体相一致的物相Ni3（Al,Ti）。3.随着激光功率增大,成形件组织由柱状树枝晶往胞状晶发展,晶粒尺寸有所增大;随着扫描速度增加,熔池冷却速度迅速加大,晶粒细化,晶界增多,成形件硬度也有所提高。4.成形件试样经高温氧化后,绘制并分析其氧化动力曲线,发现在氧化初期其呈现直线规律,进入氧化稳态后,氧化规律接近于抛物线规律;与基体具有相一致的氧化规律。5.对氧化试样表面氧化层XRD分析,两者生成氧化膜主要成分均为Cr2O3,以及少量的TiO2,Al-2O3,及微量的NiCr2O4相。对氧化试样截面SEM观察分析,氧化层分为内外氧化膜三层;其中成形件氧化膜分布较为连续,厚度一致,内层氧化与基体结合良好。基体外层氧化膜剥落较多,内层氧化膜出现空洞,较为疏松;熔覆层抗高温氧化性能略高于基体。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 镍基高温合金
• 1.1.1 高温合金概述
• 1.1.2 高温合金的性能和应用范围
• 1.1.3 镍基高温合金的特点
• 1.1.4 合金元素对镍基高温合金的作用及其性能的影响
• 1.1.5 稀土元素对合金性能的影响
• 1.2 激光直接堆积成形（DMD）技术
• 1.2.1 激光直接金属堆积成形系统
• 1.2.2 激光直接金属堆积成形技术的主要问题与现状
• 1.2.3 激光直接金属堆积成形技术的应用前景
• 1.3 本课题的研究内容、意义和技术路线
• 1.3.1 研究目的与意义
• 1.3.2 课题主要研究内容
• 1.3.3 技术路线
• 第二章 材料及试验方法
• 2.1 材料
• 2.1.1 基材
• 2.1.2 激光DMD 用粉材料
• 2.2 实验方法与设备
• 2.2.1 材料的预处理
• 2.2.2 激光直接堆积成形工艺
• 2.2.3 分析与测试
• 第三章 激光DMD 成形件质量与显微组织、硬度分析
• 3.1 激光DMD 成形件预见缺陷分析
• 3.1.1 激光熔覆的特点
• 3.1.2 激光成形件中的预见缺陷——裂纹
• 3.1.3 裂纹产生的机理
• 3.1.4 控制裂纹的措施
• 3.2 稀土元素对DMD 成形件质量的影响
• 3.2.1 DMD 成形件裂纹分析
• 3.2.2 稀土氧化物对DMD 成形件宏观及微观形貌的影响
• 3.2.3 稀土氧化物对DMD 成形件物相与硬度的影响
• 3.3 激光工艺参数对DMD 成形件质量的影响
• 3.3.1 激光工艺参数对单层熔覆层的宏观形貌影响
• 3.3.2 激光工艺参数对DMD 成形件显微组织的影响
• 3.3.3 激光工艺参数对DMD 成形件显微硬度的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 激光DMD 成形件的高温氧化性能
• 4.1 900℃高温氧化动力学分析
• 4.1.1 900℃高温氧化动力曲线
• 4.1.2 氧化产物的相分析
• 4.2 高温氧化膜表面形貌分析
• 4.2.1 高温氧化10 小时表面形貌
• 4.2.2 高温氧化50 小时表面形貌
• 4.2.3 高温氧化100 小时表面形貌
• 4.3 高温氧化截面形貌分析
• 4.3.1 高温合金的内氧化
• 4.3.2 DMD 及基体氧化截面形貌
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果