GH4169简介：

　　GH4169合金在-253～700℃综合性能好，650℃变形高温合金具有以下屈服强度，耐辐射、耐氧化、耐腐蚀，加工焊接性能好。可制造形状复杂的零件

　　合金的另一个特点是，合金组织对热加工工艺特别敏感，掌握合金中的相互沉淀和溶解规律，以及组织与工艺和性能间的关系，可以根据不同的使用要求制定合理可行的工艺程序，以满足不同的强度水平和使用要求。机箱等部件已长期使用。

　　GH4169 化学成分：

　　GH4169物理性能：

　　GH4169特性：

　　GH4169是Ni-Cr-Fe长期使用温度范围-235高温合金°C～650°C,短期使用温度可达8000°C。合金在650°C以下强度较高

　　，抗疲劳性好﹑抗辐射﹑耐氧化、耐腐蚀、加工性能好﹑焊接性能和长期组织稳定性。

　　GH4169 应用:合金已用于制造航空发动机、环件、底盘、轴、叶片、紧固件、弹性元件、气体导管、密封元件和焊接结构件

　　在石油和化工领域使用的各种弹性元件和框架；

　　摘 要：目的 激光添加剂在不同热处理状态下的制造能力降低 Nb 含量 GH4169 合金组织的微观偏析 球磨采用激光增材制造方法 Nb 合金合金粉快速成型，获得较高的成型 Nb 含量的 GH4169 合金试样。

　　通过光学显微镜、光学显微镜、电子显微镜、能谱分析和维氏硬度测试，研究合金 Nb 含量变化引起的微分析对沉积态和热处理态合金的枝晶组织和显微硬度有影响。

　　结果 随着 Nb 一方面，由于枝晶间的原因，含量增加 Nb 枝晶间含量增加（γ Laves）共晶数增加，共晶组织形状更加连续；沉积态试样的显微硬度是由 228.4HV 增大至 534.1HV。另一方面，枝干 Nb元素含量增加，元素含量增加 Nb 缩小元素含量的差异，Nb 元素偏析比 8.59 减小至 4.13。

　　后续固溶处理后，枝晶结构逐渐消失，枝晶间 Laves 随着固溶温度的升高，固溶态样品的硬度值降低，减少趋势逐渐平缓。

　　随着 Nb 随着含量的增加，直接及时处理后，微观区域内各种样品显微硬度值的均匀性增加，枝晶与枝晶的沉淀差减小。

　　结论 适当的热处理系统不仅可以实现合金元素的均匀化，还可以减少分枝晶体与分枝晶体的沉淀差异，减少激光添加剂的高制造 Nb 含量 GH4169 合金组织的微观偏析。

　　GH4169(外国品牌为 Inconel 718)合金是一种焊接性能好、耐腐蚀性好、强度高的镍铁基变形高温合金，是航空航天、石化、冶金矿山应用的关键材料。随着我国航空航天技术的发展，对几何形状多样、结构复杂、性能优异的高温合金结构件的需求也在增加。目前锻造工艺难以满足几何形状复杂、尺寸准确的要求，受到一定程度的限制 GH4169 合金的发展与应 用。

　　计算机技术、激光技术、机械工程技术 CAD/CAM 技术发展，20 世纪 80、90 20世纪90年代，基于激光熔化技术和快速成型技术的激光添加剂制造技术诞生，为获得高性能高温合金开辟了新的途径[3-4]。

　　激光增材制造 GH4169 合金熔池凝固速度快，避免了材料中合金元素的宏观偏析[5-10] GH4169 枝晶结构是合金组织的亚结构，主要是枝晶间(γ Laves)共晶组织。特别地，GH4169 凝固结束时，合金激光熔池形成丰富性 Nb 的脆性 Laves 相，该相中 Nb 达到质量分数 基体为22.4%[11] γ 相中Nb 元素的含量远低于枝晶间。

　　因此，在微观枝晶亚结构中，Nb 元素偏析仍然存在。Nb 是 GH加强4169合金 γ强化相的沉淀尺寸、位置和数量直接影响主要成分 GH4169 合金的使用性能。

　　Sui 等人[12-14]利用激光修复技术进行了更系统的研究 GH4169 合金修复件的组织和性能变化规律。

　　研究发现，修复区的沉积态显微结构为枝晶结构，基底区为锻形等轴晶。经接及时处理后，强化相的分布均匀性不同，其中修复区的强化相 γ主要分布在 Nb 枝晶间区域含量高，枝晶间区域强化少 γ沉淀，甚至没有加强沉淀。

　　可见，GH4169中 Nb 尤其是元素的含量 Nb 枝干的元素偏析程度 Nb 含量对 GH4169 合金的性能起着至关重要的作用。

　　为了更好地发挥合金组织和机械性能的潜力，国内外研究人员大多采用调整 Al、Ti 及 Nb 改变沉淀相的沉淀量、形状和尺寸，从而提高组织稳定性，优化性能。

　　Cozar R[15]等人在Inconel 718 调整了合金 Al、Ti 及 Nb 元素的含量表明 Ti A1/Nb 原子比增加到0.9 两种强化相甚至更高 γ及 γ以包覆组织的形式分析合金的组织稳定性。

　　[16]董建新等人在 Cozar R 对不同的研究 Ti A1/Nb 原子比的 Inconel 718 经过更高的温度和更长的时间处理，研究了成分调整后合金的时间硬化曲线，发现成分调整后合金的软化原因与传统不同 Inconel 718 合金。确保成分调整后 Inconel 718 合金的组织稳定性和良好的机械性能，Du 等人[17-18]改善合金 Ti A1/Nb 确保原子比足够 Al Ti Nb 质量分数为 0.024%的 P 和 0.0096%的 B，在发现调整成分后形成 γ γ包覆组织可以改进Inconel 718 与传统相比，组织稳定性 Inconel 718合金使用温度提高 30 ℃。

　　综上所述，国内外研究人员已经实现了传统的铸造工艺 GH4169 但由于合金化处理 GH4169 合金在钢锭凝固结晶过程中容易出现 Nb 因此，元素的宏观偏析导致冶金缺陷的形成 GH4169 合金成分优化时，合金中 Nb 元素的添加量一般较低。考虑到激光添加剂制造熔池的不平衡和快速凝固，可以有效避免合金元素的宏观分析，保证材料的连续形成，为改变合金成分提供有效途径 GH4169 合金组织改进和性能优化提供了途径。同时，继续调整显微组织，通过不同的热处理工艺获得更好的性能，掌握合金化后的合金也是一项重要的工作[19-24]。

　　本文采用球磨合金化制备 Nb 合金化 GH4169合金粉末采用激光增材制造技术形成 Nb 含量的 GH4169 样品，研究 Nb 激光增材制造中的元素含量变化较高 Nb 含量 GH4169 为了扩大激光增材的制造，合金微观偏析的影响，微观偏析解释了显微组织和显微硬度对沉积态、固溶态和直接时效态的影响GH4169 镍基高温合金零件在成型和修复领域的应用。

　　1 试验

　　1.1 试验材料

　　球形常规试验合金粉末采用等离子旋转电极法制备 GH4169 颗粒尺寸约为合金粉末 170 μm，粉末中各元素含量(质量分数)为:Nb 4.91%，Al 0.63%，Ti 0.97%，Mo 3.18%，Mn 0.11%，Cr 19.68%，Ni 51.75%，Fe 余量。所添加的 Nb 粉粒度为210~ 粉末的纯度大于320目 99.9%。所添加的 Nb 粉粒度为210~ 粉末的纯度大于320目 99.9%成型基材。 1Cr13Ni9Ti不锈钢板锈钢板 80 mm×55 mm× 4 mm，在 80 mm× 55 mm 激光添加剂在单道多层薄壁样品的平面上成型，成型高度约为 30 mm。

　　1.2 测试方法和仪器

　　球磨合金化 Nb 常规中添加元素GH4169 在合金粉末中，球磨合金化的具体方法是：不同不同 Nb 粉与常规 GH4169 添加合金粉XQM-0.4 球磨加工在型立式行星球磨机中，采用正反转结合间歇性工作，球磨机先工作 10 min，暂停 5 min 反向工作后，球磨速度为 300~ 500 r/min，每组球磨时间为 3 h。

　　激光成型前，用砂纸将基材材，去除氧化皮，然后用丙酮清洗，用酒精擦拭，吹干备用。

　　激光成型前，用砂纸将基材材，去除氧化皮，然后用丙酮清洗，用酒精擦拭，吹干备用。用于实验 Nb 合金化后GH4169 合金粉末中 Nb 设计值分别为5.50%、8.50%和11.10%。成型前真空干燥除湿合金粉末，烘烤温度 120 ℃，烘烤时间 5 h，然后冷却到室温。

　　西北工业大学凝固技术国家重点实验室建立了激光增材制造试验 6 kW 半导体激光增材制造系统已完成。该系统包括：LDF 6000-60 型 6 kW 数控工作台，半导体激光器，GTV PF2/2 高精度双路可调粉器、四路同轴粉喷嘴、惰性气氛保护罩。

　　制造激光添加剂时的成形参数为：激光功率 2500 W，扫描速度 600 mm/min，送粉率 25 g/min，光斑直径5 mm，保护气流量 4~6 L/min，Z 轴增量 0.3~0.4 mm。整个试验在 Ar 在气氛中，送粉气体和保护气体是 Ar 气。

　　激光添加剂成型后，各成分样品沿沉积方向线切割成合适的尺寸，进行组织观察和机械性能测量。砂纸抛光和机械抛光后使用沉积样品 5 g FeCl3 20 mL HCl 100 mL C2H5OH 腐蚀液腐蚀，利用MR 5000 倒置金相显微镜（OM）观察显微组织。

　　利用 Nova Nano SEM450 扫描电子显微镜（SEM）及其配套能谱仪（EDS）主要测量样品的成分 Nb 元素的平均含量SX2-5-12 箱式电阻炉对样品进行固溶热处理。

　　固溶热处理系统的具体参数如表所示 1。720 ℃保温 8 h 后，以 50 ℃/min 炉冷到 620 ℃，保温 8 h 空冷至室温。抛光固溶性样品后使用 1 g FeCl3 5 mL HCl 5 mL C2H5OH腐蚀，观察枝晶显微组织。401显微硬度数据MVD 采集显微硬度计，加载荷 200 g，加载时间 15 s,每个样品的硬度测量点不小于 15 数据分析取其平均值。

　　2 测试结果及分析

　　2.1 Nb 合金化对沉积样品枝形状的影响 图 1 制造激光添加剂 Nb 合金化 GH4169 枝晶形状合金沉积试样。可见激光添加剂制造 Nb合金化 GH常规的4169合金显微组织和激光增材制造GH4169 合金基本相同，均为粗大柱状晶体组织，亚结构为细小致密的枝状晶体结构。

　　这反映了高温梯度快速凝固的特点。枝晶结构的存在虽然消除了铸造过程中的宏观偏析缺陷，但表明激光添加剂制造组织中仍存在微观偏析。

　　与常规激光增材制造相比， GH4169 合金（图 1a），激光增材制造 Nb 合金化GH4169 由于常规，合金沉积样品的枝晶结构更为明显 GH4169合金中不发达的枝晶结构逐渐转变为发达的枝晶结构(图) 1b—图 1d）。

　　常规激光增材制造更为明显 GH4169 枝晶结构主要为一次

　　枝晶结构，二次枝晶臂不发达(图) 1a）；随着 Nb 当含量增加时，二次枝晶臂结构逐渐出现 Nb 当质量分数达到8.50%时，二次枝晶臂的结构非常明显(图) 1c）；当 Nb 当元素含量继续增加时，不仅二次枝晶臂变得更加发达，还有三次枝晶臂(图) 1d）。

　　枝晶的发展决定了枝晶间共晶组织的数量和形状。从图中 1 可见，添加 Nb 元素后，枝晶间共晶在枝晶组织中越来越发达(γ Laves)组织越多。GH4169 合金发生在凝固末期 L→γ Laves 因此，激光增材制造是常规的 GH4169 分枝间显微组织合金(γ Laves)因为 Laves 相是一种富Nb 所以跟着 Nb 添加含量，枝晶间共晶(γ Laves)数量越来越多。

　　从形状上看，随着枝晶结构的发展，枝晶间共晶组织的形状由原点块分布(图) 1a）逐渐成为连续条状分布特征(图) 1b 和图 1c），连续网状分布特征(图1)最终形成d）。

　　枝晶结构越发达，枝晶分支越多，各枝晶间共晶组织近，形成连续条状甚至网状共晶结构的可能性越大。

　　熔池的结晶形式主要取决于熔池中熔体的溶质浓度 C0、结晶速度 R 以及温度梯度 G 溶质浓度的综合作用[25] C0 温度梯度越大 G 枝晶的结晶形态越小，枝晶的特征就越明显。

　　制造激光添加剂 Nb合金化 GH4169 一方面，在合金的过程中 Nb 溶液中溶质浓度的增加 C0 另一方面，因为 Nb 熔池中粉末的合金化为放热反应[26]，使熔池的温度梯度 G 随着 Nb 含量增加，结晶形态由不发达的枝晶结构逐渐转变为发达的枝晶结构。

　　2.2 Nb 合金化对合金元素枝晶间微观偏析的影响

　　图 2 制造激光添加剂 Nb 合金化 GH4169 合金沉积态样品组织形状及相应位置 Nb 根据元素线扫描分析结果，图中线从枝晶间扫描到相邻枝晶间的中心位置。

　　可以看出，Nb 枝晶结构中元素分布变化明显，枝晶间面积多，枝晶干面积少。枝晶间是(γ Laves)共晶组织，财富存在 Nb 的 Laves 因此，枝晶间 Nb 元素含量高于枝晶干。

　　激光添加剂是合金制造的 GH4169 在合金显微组织中 Nb 元素偏析仍然存在(图) 2b—图 2d）。值得注意的是，由于枝晶间形成了连续的网状分布共晶组织Nb 沿线扫描位置的元素分布通过多个共晶区（γ Laves），由于共晶 γ 相与共晶 Laves 相 Nb 如图所示，相邻枝条的含量差异较大 2g 和图 2h所示的多个 Nb 元素的峰值。

　　对图 2 中枝晶干 γ 相和枝晶间 Laves 统计不同位置的两相成分 3 两个以上，并取平均值。定义枝晶间 Laves 与枝条相成分 γ 偏析比是相成分的比例（Segregation ratio，SR），用偏析比表示 Nb 具体统计结果见图 3。

　　随着 Nb 激光添加量增加，激光添加剂制造 Nb 合金沉积态试样枝 γ 相中的 Nb含量呈上升趋势。当合金中 Nb 元素质量分数的设计值为 枝干11.10% γ 相的 Nb 元素质量分数达到最大值 7.53%；相应地，Nb 元素的偏析比 Nb 由激光添加剂制成的元素添加量呈下降趋势GH4169 的 8.59 下降至 4.13。这表明添加 Nb 元素后，

　　激光增材制造 Nb 合金化 GH4169 在一定程度上降低了一定程度上降低了 枝干之间 Nb 含量的差别

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