摘 要：目的 研究相同激光功率、掃描速度及粉層厚度條件下，激光粉床熔融GH4169合金微觀組織、硬度及密度在不同掃描間隙條件下的演變規(guī)律。方法 采用激光粉床熔融設(shè)備制備了GH4169合金試樣，通過(guò)掃描電子顯微鏡對(duì)微觀組織進(jìn)行了觀察，采用

硬度儀測(cè)量了試樣硬度，基于阿基米德原理測(cè)量了試樣密度。結(jié)果 隨著掃描間隙的增加，激光粉床熔融GH4169合金的熔合不良缺陷增多，密度逐漸降低。結(jié)論 掃描間隙對(duì)激光粉床熔融GH4169合金的微觀組織、硬度及密度具有顯著影響，合理選取掃描間隙參數(shù)，可有效減少熔合不良缺陷，提高致密度和硬度。

關(guān)鍵詞：激光粉床；GH4169；掃描間隙；微觀組織

金屬材料增材制造工藝（Additive manufacturing of metallic materials,AMMM）可以直接將三維數(shù)字模型加工為實(shí)際產(chǎn)品，與減材制造工藝相比，AMMM工藝在近凈成形方面具有天然的優(yōu)勢(shì)，例如可以減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)和加工時(shí)間、節(jié)省原材料以及降低能耗等[1—2]。激光粉床熔融工藝（Laser powder bed fusion,L-PBF）利用激光束斑有區(qū)域選擇性地逐層熔化粉床上的粉層，成形精度較高，加工后構(gòu)件相對(duì)密度可接近100%，是AMMM技術(shù)中最有應(yīng)用前景的技術(shù)之一[3—5]。

GH4169合金具有優(yōu)異的綜合性能，如耐高溫、抗腐蝕、抗氧化等，在航空航天、核工業(yè)以及海洋工業(yè)等中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[6—8]。GH4169合金的高硬度和低導(dǎo)熱性導(dǎo)致其減材制造工藝中存在加工困難及成本高昂等問(wèn)題[9]。L-PBF技術(shù)可以制造出接近最終形狀的零件，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)GH4169合金的L-PBF工藝，開(kāi)展了大量研究。Scime和Beuth[10]研究了GH4169合金在激光粉床熔融過(guò)程中熔池尺寸及形貌的變化。Gallmeyer等[11]基于不同熱處理工藝下激光粉床熔融GH4169合金微觀組織與力學(xué)性能之間的關(guān)系，提出了一種新的熱處理工藝。Rezaei等[12]研究了激光粉床熔融GH4169合金微觀組織及力學(xué)性能的各向異性。Chen等[13]采用L-PBF工藝，研究了GH4169合金與316不銹鋼之間的焊接過(guò)程。

L-PBF工藝參數(shù)包括激光功率、掃描速度、掃描間隙及粉層厚度等，其中，掃描間隙為相鄰激光掃描路徑之間的間隙，是L-PBF中重要的工藝參數(shù)，因此，文中將重點(diǎn)研究不同掃描間隙條件下，激光粉床熔融GH4169合金微觀組織及硬度的演變規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

材料為美國(guó)Carpenter公司生產(chǎn)的GH4169粉末，化學(xué)成分如下（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：Ni為53.06%，Cr為19.65%，Nb為5.02%，Mo為3.07%，Ti為1.00%，Al為0.46%，C為0.04%，余量為Fe。所用粉末的形貌如圖1所示，篩分分析顯示粉末粒徑大部分分布在15～45 μm。

圖1 GH4169粉末的形貌

Fig.1 Morphology of GH4169 powder

采用廣東漢邦激光科技有限公司的HB 280型激光粉床熔融設(shè)備，制備了尺寸為 10 mm×10 mm×10 mm的立方塊試樣，制備過(guò)程中所采用的掃描路徑如圖2所示，x 和y 方向?yàn)閽呙璺较?，z 方向?yàn)槌练e方向，掃描間隙為60，80，100 μm，粉層厚度為40 μm，掃描速度為2000 mm/s，激光功率為350 W。

圖2 掃描路徑示意圖

Fig.2 Schematic representation of scan strategy

采用80#～2000#砂紙，對(duì)試樣的xy 面和xz 面分別進(jìn)行機(jī)械研磨，隨后采用3 μm的金剛石懸浮液進(jìn)行拋光，接著采用美國(guó)VibroMet 2振動(dòng)拋光機(jī)進(jìn)行振動(dòng)拋光，最后采用光學(xué)顯微鏡（Optical microscopy，OM）和電子背散射衍射（Electron backscatter diffraction，EBSD）進(jìn)行觀察。對(duì)于 OM試樣，采用 100 mL HCL+100 mL CH3CH2OH+5 g CuCl2 溶液進(jìn)行化學(xué)腐蝕。采用OLYMPUS-GX71型光學(xué)顯微鏡和Philips XL30FEG型掃描電子顯微鏡進(jìn)行微觀組織觀察，采用Mitutoyo HM-102型硬度儀進(jìn)行了硬度測(cè)量，最后根據(jù)阿基米德原理，測(cè)量了試樣的密度。

2 結(jié)果與分析

2.1 激光粉床熔融GH4169合金微觀組織特征

圖3所示為試樣xz 面的微觀組織形貌，其中圖3a為熔池形貌，圖3b為晶粒形貌及取向。由圖3a—b可知，xz 面晶粒形貌為沿沉積方向延伸的柱狀晶，柱狀晶晶內(nèi)取向差異不大，并且柱狀晶的生長(zhǎng)穿過(guò)了熔池邊界，跨越了多個(gè)沉積層。這是因?yàn)樵诜蹖尤廴谀踢^(guò)程中，熔池的溫度梯度可以高達(dá)105 K/m，處于柱狀晶生長(zhǎng)的凝固條件內(nèi)。同時(shí)，激光穿透了前一粉層熔融時(shí)所形成的熔池，前一粉層熔池和沉積層界面上未熔化的晶粒為新柱狀晶的外延性生長(zhǎng)提供了形核點(diǎn)[14]，因此，激光粉床熔融GH4169合金的晶粒組織以沿著沉積方向延伸的柱狀晶為主，并且晶內(nèi)的取向差異較小。此外，由圖3b可知，晶粒形貌雖然不規(guī)則，但大部分沿著＜001＞方向生長(zhǎng)，這是因?yàn)镚H4169合金的基體為面心立方結(jié)構(gòu)，＜001＞方向?yàn)槠渚ЯｉL(zhǎng)大的擇優(yōu)取向[15]。

圖4所示為試樣xy 面的微觀組織形貌，其中圖4a所示為背散射電子圖，圖4b所示為放大后的背散射電子圖。由圖4a可知，xy 面上的晶粒形貌非常不規(guī)則。圖4b顯示，放大后晶粒內(nèi)部具有尺寸小于1 μm的柱狀胞晶組織，激光粉床熔融GH4169合金晶粒組織內(nèi)部的這種柱狀胞晶組織來(lái)自于凝固形態(tài)、溶質(zhì)原子排斥以及熱應(yīng)力等因素的共同作用[11]。凝固時(shí)溶質(zhì)原子被排斥至枝晶尖端，因此胞晶組織的尺寸取決于熔池凝固時(shí)的枝晶形狀。同時(shí)，由于相鄰沉積層反復(fù)熔融凝固時(shí)所產(chǎn)生的熱應(yīng)力的影響，胞晶組織的胞晶界上有位錯(cuò)纏結(jié)形成。

圖3 掃描間隙為60 μm下的xz 面微觀組織形貌

Fig.3 Microstructure of xz plane under hatch distance of 60 μm

圖4 掃描間隙為60 μm下的xy 面微觀組織形貌

Fig.4 Microstructureof xy plane under hatch distance of 60 μm

2.2 掃描間隙的影響

圖3a及圖5為不同掃描間隙下的微觀組織形貌，可知，隨著掃描間隙的增加，熔合不良缺陷顯著增多。這是因?yàn)榧す饽芰棵芏扰c掃描間隙呈負(fù)相關(guān)，隨著掃描間隙的增加，激光能量密度逐漸不能充分地熔化沉積層之間的粉末，導(dǎo)致出現(xiàn)搭接不良的問(wèn)題。

圖6為不同掃描間隙下試樣的相對(duì)密度及硬度。由圖6a可知，試樣相對(duì)密度隨著掃描間隙的減小而逐漸升高。試樣相對(duì)密度隨掃描間隙的演變規(guī)律與圖3a及圖5的微觀組織觀察相吻合。隨著掃描間隙的減小，激光能量密度升高，試樣微觀缺陷減少，相對(duì)密度隨之升高。

圖5 不同掃描間隙下的xz 面微觀組織形貌

Fig.5 Microstructure of xz plane under different hatch distances

圖6 掃描間隙對(duì)相對(duì)密度及硬度的影響

Fig.6 Effects of hatch distance on relative density and hardness.

圖6b為試樣xy 面及xz 面硬度隨掃描間隙的演變規(guī)律，可知，不同掃描間隙下的試樣硬度相差不大，而試樣xz 面硬度普遍高于xy 面硬度，這是因?yàn)榧す馊廴贕H4169合金的微觀組織具有顯著的各向異性。

3 結(jié)語(yǔ)

1）激光熔融GH4169合金的微觀組織形貌具有顯著的各向異性。在平行于沉積方向上，晶粒形貌為沿沉積方向延伸的柱狀晶，柱狀晶晶內(nèi)取向差異不大，并且柱狀晶的生長(zhǎng)穿過(guò)了熔池邊界，跨越了多個(gè)沉積層；在垂直于沉積方向上，晶粒內(nèi)部具有尺寸小于1 μm的柱狀胞晶組織。

2）掃描間隙對(duì)激光熔融GH4169的微觀組織及相對(duì)密度具有顯著影響。隨著掃描間隙的增加，GH4169合金的微觀缺陷增多，相對(duì)密度降低。

劉延星，孫振忠，張玉勛，張兵，武靜

（東莞理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，廣東 東莞 523808）