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輝銳服務介紹丨09 單晶材料熔覆工藝的研發及航空行業應用
來源: | 作者:輝銳集團 | 發布時間: 2020-08-26 | 750 次瀏覽 | 分享到:

01技術背景


航空發動機是體現一個國家科技、工業和國防實力的重要標志,被喻為整個航空工業的桂冠,而航空發動機高溫渦輪葉片則被喻為桂冠上的明珠。航空發動機的整體效率與高溫渦輪葉片的工作溫度和高溫抗蠕變性能直接相關。隨著航空工業對于航空發動機性能和推重比要求的不斷提高,航空發動機熱端部件的工作溫度進一步上升,對合金的性能要求越來越高,鎳基高溫合金逐步向高溫性能更好的單晶發展,如Rene N5、CMSX-4、DD432等,目前已發展到第五代鎳基單晶高溫合金,每一代高溫合金的工作溫度大約比上一代提高25°C。伴隨材料發展而來的是對制造工藝的挑戰,如何利用直接金屬沉積技術實現單晶零件的修復與直接成型,逐漸成為研究熱點,而如何在修復成型的過程中,保證其單晶的屬性,避免雜晶的生成,是最大的挑戰。


02激光熔覆單晶技術的發展

Kurz等在1997首先提出了外延激光金屬成型(epitaxial aser melting forming,E-LMF) 的概念,即熔池內液態的單晶高溫合金從熔池底部以外延生長方式向上生長,形成細小柱狀枝晶微觀組織,通過控制固液凝固邊界的溫度梯度(G)和枝晶尖端的凝固速度(V),可以實現對于熔池內晶體分布的預測與控制,當G/V的值高于臨界值時,可獲得柱狀枝晶組織,避免雜晶(等軸晶)的形核生成。Kurz和他的團隊在CMSX-4鎳基單晶的(100)面基板上,外延成型出了同種材料的多層單晶熔覆層。之后,又有學者實現了異種材料的外延激光金屬成型,即一種單晶材料可以通過激光直接沉積到另一種單晶材料的(100)面基板上,且延續了基板單晶的晶格取向。受限于材料與設備的特殊性,國內在鎳基單晶高溫合金激光增材修復方面的研究報道較少。
    輝銳公司創始人齊歡博士在上海交大密西根聯合學院任教期間,曾帶領團隊開展了鎳基單晶材料的激光直接成型研究。通過理論建模與實驗相結合的方法,研究了激光多道搭接熔覆鎳基單晶高溫合金過程中熔池內晶體的生長機理和微觀組織分布,并分析了工藝參數(搭接率、搭接方式),以及基體表面晶格取向對熔池內晶體生長行為和微觀組織分布的影響,為該技術在航空發動機部件上的實際應用提供了理論基礎。

?研究表明,對單層熔覆單晶合金材料的橫截面進行電鏡EBSD掃描發現,熔覆層下部大部分區域可形成延續基材晶體外延生長的定向結晶組織(下圖藍色區域,顏色代表結晶生長方向)
?熔覆層上表面會形成方向各異的雜晶組織(彩色區域)
?由以上觀察可得出多層熔覆時,熔覆層需有足夠熔深重熔下一層的雜晶區,形成連續生長的單晶或定向結晶組織

圖1 熔覆層橫截面



下圖為連續熔覆10層的單晶材料橫截面EBSD掃描圖片(顏色代表單晶生長方向),在三種不同激光工藝條件下形成的組織結構,其中(c)條件下形成了與基材晶體方向連續一致的多層單晶組織





圖2 熔覆層橫截面

Liu, H, Qi. Effects of substrate crystallographic orientations on crystal growth and microstructure formation in laser powder deposition of nickel-based superalloy [J]. Acta Materialia, 2015, 87: 248-58.



03 輝銳激光熔覆單晶材料技術成果


目前輝銳已在單晶激光修復領域展開了一系列的研究。為控制單晶或定向結晶的關鍵工藝參數是控制熔池的冷卻速度和溫度梯度,其中冷卻速度決定了熔池的形狀,溫度梯度決定了熔池凝固時的結晶生長方向。這兩項工藝參數都可以通過熔池監控手段和圖像處理的方法實時進行捕捉和測量。

圖3 熔池成像圖片



圖4 熔池溫度梯度圖(點擊放大)


采用鎳基粉末材料,在DD432上進行實驗,獲得了較好的成果,并在DD432的單晶葉片上進行了工藝開發測試。單晶葉片葉尖各部位的厚度有一定的差異,越厚,定向外延接長越困難,主要為熔覆層單道厚度越大,工藝要求越嚴格,工藝窗口范圍越小。經過工藝優化研究,取得了以下激光熔覆單晶材料的成果:
● 實現最大單道熔覆寬度為1.8mm,且連續堆積可達10mm高度。
● 單層厚度可調節范圍0.15~0.5mm。
● 兩側雜晶量少于10%。

●結合界面在800℃時的高溫拉伸性能達到了基材的91%,熔覆層強度不低于基材的91%





圖5  DD432外延接長結合界面



圖6  DD432外延接長Rene142截面全貌圖




04 
單晶葉片熔覆案例


圖7 熔覆過程照片  

圖8  葉片熔覆層滲透探傷


熔覆層外觀光滑、致密,無肉眼可見的裂紋、孔洞等缺陷。由于熔覆過程采用了兩種不同的工藝,在不同工藝熔覆的交界處形成了比較明顯的交界區。

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