GH4169合金可用于渦輪盤、葉片、緊固件、軸、定子、支撐件、管路等航空零部件的制造，在 -253～650℃ 內，具有良好的屈服強度、抗拉強度、持久性能及抗蠕變能力，而且還具有良好的耐腐蝕、抗輻射及焊接性能 [1-2] 。但傳統(tǒng)的鑄造工藝、鍛造工藝和粉末冶金工藝在加工 GH4169 時或存在一定程度的加工困難或存在加工后合金質量不高等問題， 如鑄造工藝會存在組織不均勻、成分偏析等問題，鍛造工藝存在加工周期較長等問題， 粉末冶金工藝存在晶粒邊界易出現(xiàn)孔洞等問題 [3] 。 作為一種典型的金屬 3D 打印技術， 激光粉末床熔融 （ Laserpowderbedfusion ，L-PBF ）工藝是以球形金屬粉末為原材料，通過計算機控制高能量激光束的移動， 按照預先根據零部件切片輪廓設定的掃描路徑，選擇性熔化金屬粉末，實現(xiàn)零部件的自下而上逐層堆積成形。 該技術具有高柔性化，成形材料來源廣泛，制備的零件致密度高，表面質量高等優(yōu)點。因此，在航空航天復雜構件及醫(yī)學組分連續(xù)變化的梯度功能件制造上有廣泛的應用前景 [4] 。 但同時該技術成形過程極其復雜，不穩(wěn)定性因素多，制件易出現(xiàn)翹曲變形、熔合不良、尺寸精度不高、開裂等宏觀缺陷，也易產生氣孔、夾雜、裂紋等微觀缺陷 [5] ，而這些缺陷可能是疲勞關鍵結構致命的萌生源， 易造成疲勞壽命降低， 因此， 研究GH4169 合金的激光粉末床熔融工藝對制備高可靠性的成形件具有重要意義。

王海麗等 [6] 對激光粉末床熔融工藝制備 GH4169合金的組織、硬度和致密度進行了分析，研究發(fā)現(xiàn)，激光功率、 掃描速率和掃描間距等工藝參數(shù)影響成形件的組織結構，從而影響其力學性能。 尹燕等 [7] 研究了不同粒度分布段的粉末對鋪粉過程以及成形效果的影響，發(fā)現(xiàn)粒度在 15～53μm 之間，平均粒徑約為 32μm 左右的粉末，可通過激光粉末床熔融工藝得到高質量的成形件。 王會杰等 [8] 研究了不同成形方法和成形工藝條件對構件力學性能、成形尺寸、成形周期、表面粗糙度的影響。 結果表明， 45° 生長，可減少開裂及表面缺陷，光斑補償值為 0.06mm 時，成形件表面較光滑、基本無凹凸缺陷。 杜膠義 [9] 對鎳基合金激光粉末床熔融工藝制備試樣的缺陷進行了宏觀歸納分析， 指出在激光和鎳基合金粉末的相互作用過程中， 只有嚴格控制激光能量密度和作用時間才能有效減少缺陷的產生， 從而獲得高致密度高性能的制件。鑒于此，本文以激光功率和掃描速度為

變量，固定掃描間距、層厚、激光光斑直徑等其他工藝參數(shù)，研究該兩個變量對 GH4169 合金試樣缺陷和拉伸力學性能的影響規(guī)律，致力為激光粉末床熔融工藝制備高性能鎳基高溫合金成形件的研究提供指導，以及為建立工藝 - 缺陷 - 性能關聯(lián)數(shù)據庫提供支撐。

1 、試驗材料和設備

試驗所用 GH4169 合金粉末的化學成分見表 1 ，該成分滿足 ASTMF3055-14 《粉末床熔融增材制造UNSN07718 標準規(guī)范》中對粉末原材料的要求，同時也滿足 GB／T30566 — 2014 《 GH4169 合金棒材、鍛件和環(huán)形件》及 SAEAMS5383E-2007 《鎳合金，耐腐蝕和耐熱熔模鑄件 52.5Ni-19Cr-3.0Mo-5.1Cb(Nb)-0.90Ti-0.60Al-18Fe 真空熔煉均勻化和固溶熱處理》中的原材料要求。 本試驗中所用粉末的粒度分布結果為 D10=19μm 、 D50=33μm 和 D90=56μm ，球形度為 0.908 ，松裝密度為 4.32g/cm ³ ，振實密度為 5.0g/cm ³ ，流動性為 16.5s/50g 。 除此之外，本試驗還對 GH4169 粉末的空心粉率進行了測定，其值為 0.57% 。

本試驗采用德國 EOS 公司生產的 M290 設備，激光器為固體 Yb 光纖激光器， 最大功率為 400W ，最小光斑直徑為 100 μm ，最大成形尺寸為 250mm×250mm×325mm 。 試樣的成形工藝方案見表 2 。

本試驗中的試樣為橫向成形態(tài)試樣， 試樣尺寸滿足 GB/T228.1 — 2010 附錄 D 規(guī)定的 R7 試樣要求。 采用型號為 YXLONFF35 的高分辨 X 射線計算機斷層掃描機對試樣缺陷進行檢測， 探測器型號為VARIANP2530 ， 最小分辨率為 20μm ， 濾波片為Cu1.5mm ，試驗過程中試樣的掃描位置如圖 1 所示。

采用 WDW-50 型拉伸試驗機對橫向成形態(tài)GH4169 試樣進行室溫拉伸試驗，繪制其應力 - 應變曲線，并據此計算抗拉強度、規(guī)定塑性延伸強度、斷后伸長率和斷面收縮率。

2、 試驗結果分析及討論

2.1 工藝參數(shù)對試樣缺陷的影響

圖 2 顯示了在一定功率下不同掃描速度對試樣缺陷的影響規(guī)律。 圖 2 （ a ）最左側為 1 號試樣（ S1 ），自左至右依次為 S1-S7 ， 圖 2 （ b ） 自左至右依次為S8-S14 ，圖 2 （ c ）自左至右依次為 S15-S21 ，圖 2 （ d ）自左至右依次為 S22-S28 。 如圖 2 所示，當激光功率一定時，隨掃描速度增大， GH4169 試樣的孔隙缺陷體積、個數(shù)、孔隙比和孔隙直徑均出現(xiàn)先減小后增大的趨勢。這是由于當激光功率一定時，在低掃描速率狀態(tài)下，由于激光在同一區(qū)域停留時間過長，粉末熔化量增加，這延長了熔道的凝固時間，從而使熔道在凝固過程中會吸附更多粉末。在之后鋪粉時，這些粉末粘附在一起形成小球，形成小球后，會反過來影響熔道的流動穩(wěn)定性。 同時，更多粉末被熔池“吞噬”后，使得微熔池尺寸過大，以至于相鄰兩熔道間重疊過多，導致新熔化的粉末有相一側匯聚的傾向，使熔道鋪平流動受阻，因而，有較多缺陷產生。 隨掃描速度增加，表面無足夠時間堆積大的熔池球，這有利于激光越過熔池球直接對粉末進行加熱， 同時熔化粉末還能通過匙孔效應將能量傳遞給基體， 從而增加激光在基體的重熔深度， 增強試樣層與層之間的結

合力。但當掃描速度過大時，單位時間內能量輸入較小，這將使粉末顆粒熔化不充分，熔道之間不連續(xù)，從而導致缺陷產生 [3,10-11] 。

從圖 2 還可看到，不管激光功率是多少，掃描速度為 700mm/s 時制備試樣的孔隙缺陷個數(shù)、 體積、孔隙比和直徑始終是最小的， 且孔隙尺寸范圍相對較小； 而且相對快的掃描速度比相對慢的掃描速度更易導致試樣中大尺寸缺陷的產生。

由于掃描間距（ 0.11 ）、光斑直徑（ 100μm ）、層厚（ 40μm ）等其他工藝參數(shù)已固定，因此，本研究中采用激光功率 / 掃描速度（ P/V ）的形式定義能量輸入 [12] ，圖 3 為輸入能量 （ P/V ） 對缺陷的影響。 可看到，當P/V 超過 0.65J/s 或低于 0.2J/s 時， 最大孔隙直徑、孔隙比、孔隙個數(shù)及孔隙體積均較大。這是因為能量輸入過大，部分物質汽化，沖擊能量過大造成熔池周圍存在大范圍的無粉區(qū) [3,13] ；同時還將出現(xiàn)粉末飛濺使熔道變得不光滑，因而，有較多缺陷產生。 當能量輸入過少時， 合金粉末顆粒不能獲得足夠的激光能量，使粉末不能完全熔化，導致合金粉末顆粒之間沒有足夠的液態(tài)合金來填充，致使缺陷形成。

2.2 工藝參數(shù)對力學性能的影響

GB/T30566-2014 [14] 規(guī)定了 GH4169 （鍛件）合金經時效處理后的拉伸性能， 具體為 R m ≥1241MPa ，R p0.2 ≥1034MPa ， A≥10% ， Z≥12% ， 從圖 4 可看到，

本試驗方法制備的成形態(tài)試樣的抗拉強度和規(guī)定塑性延伸強度還暫不能滿足使用要求， 但其斷后伸長率和斷面收縮率卻已遠超鍛件標準。 對標 AMS5383E-2007 [15] 中對 UNSN07718 的要求，即抗拉強度 ≥827MPa 、 屈服強度 ≥724MPa 、 斷后伸長率 ≥3% 、斷面收縮率 ≥8% ，發(fā)現(xiàn)本試驗方法僅個別條件制備的試樣不滿足鑄件要求。對標 ASTMF3055-14 [16]中對不同后處理狀態(tài)下試樣的性能要求， 發(fā)現(xiàn)本試驗方法中的成形態(tài)試樣除不能滿足 D 類和 F 類零件規(guī)定的強度要求外， 基本可滿足其他類零件的直接使用需求， 這說明本工藝方法經適當優(yōu)化將有望成為傳統(tǒng)制造方法的替代方法。

從圖 4 還可看到，總體而言，相對快掃描速度下制備試樣的力學性能劣于相對慢掃描速度下制備的試樣， 這與上述缺陷分析中的相對快掃描速度比相對慢掃描速度更易導致試樣形成大尺寸缺陷相呼應。 同時還可看到，在激光功率一定時，隨掃描速度增加，力學性能呈先增大后減小的趨勢，這除了與上述缺陷產生分析的原因有關外， 還可能與試樣的微

區(qū)成分有關 [10] 。

本工藝方法制備試樣的總體力學性能較好的原因可歸結為： ① 激光粉末床熔融工藝有較高的冷卻速度，因此試樣的組織結構細小，較細的組織結構會提高材料的力學性能。 ② 激光粉末床熔融工藝制備的試樣是自下而上逐層累加成形的。因此，在循環(huán)加熱冷卻過程中， 由于下層熱量的積累可使 γ" 和 γ'強化相析出，從而減少 Laves 脆性相的數(shù)量 [10] 。

2.3 缺陷對拉伸力學性能的影響

以最大缺陷直徑為自變量，對抗拉強度、規(guī)定塑性延伸強度、 斷后伸長率和斷面收縮率作圖， 見圖5 。 可看出，最大缺陷直徑對試樣的拉伸力學性能有較大影響，當缺陷直徑大于 500μm 時，試樣的斷后伸長率及斷面收縮率已基本低于 10% 。 這說明，在保證一定拉伸性能時，可允許試樣有一定量的氣孔、孔隙等小尺寸缺陷存在，但應盡量避免裂紋、孔洞等大尺寸缺陷的存在， 即應嚴格控制缺陷尺寸。 應注意， 這些小尺寸缺陷雖對靜態(tài)拉伸力學性能沒有太大影響， 但其對于疲勞等動態(tài)力學性能卻有較大影響。 同時，還可看到，相對于試樣的規(guī)定塑性延伸強度，抗拉強度、斷后伸長率和斷面收縮率對成形工藝參數(shù)更敏感。

3、 結論及展望

（ 1 ） 研究了激光功率和掃描速度兩個重要工藝參數(shù)對試樣孔隙缺陷及室溫拉伸力學性能的影響。在激光功率一定時，試樣的孔隙缺陷體積、個數(shù)、孔隙比和直徑隨掃描速度的增加先減小后增大， 而力學性能缺陷隨掃描速度的增加先變大后減小， 試樣缺陷情況與其性能直接關聯(lián)， 且大尺寸缺陷將極大降低試樣的性能。 據報道，孔隙缺陷球度、大小及位置等對試樣力學性能均有影響，尤其是疲勞、斷裂韌性等變形性能，因此，在后期研究中，應全方位分析孔隙缺陷對試樣力學性能的影響規(guī)律，并建立工藝 -缺陷 - 性能之間的關聯(lián)關系；同時，還應深入分析孔隙缺陷的形成原因， 關注工藝 - 微區(qū)成分及成分含量 - 性能之間的關系， 關注激光粉末床熔融工藝其他常見缺陷對制備試樣性能的影響規(guī)律。

（ 2 ） 對標分析，發(fā)現(xiàn)大部分工藝條件下制備試樣的抗拉強度和規(guī)定塑性延伸強度已滿足鑄件要求，但還暫未達到鍛件的要求，但試樣的斷后伸長率和斷面收縮率已遠遠超過鑄件和鍛件的要求。因此，在后期研究中，應依據 GH4169 的組織特點，通過進一步優(yōu)化工藝或改進熱處理等方式， 增強 GH4169中強化相的析出以提高其強度指標。

（ 3 ） 研究了兩個關鍵成形工藝參數(shù)對橫向成形態(tài)試樣拉伸力學性能的影響， 但增材制造試樣對成形空間的位置和方向有一定依賴性。因此，在后期研究中， 還應研究工藝參數(shù)對不同成形方位試樣的性能影響。

參考文獻 :

[1] 齊歡 ．INCONEL718(GH4169) 高溫合金的發(fā)展與工藝 [J]． 材料工程， 2012(8) ： 92-100．

[2] 杜金輝，呂旭東，鄧群，莊景云 ．GH4169 合金研制進展 [J]． 中國材料進展， 2012 ， 31(12) ： 12-20．

[3] 馬威 ． 選區(qū)激光熔化 GH4169 成形件表面質量和致密度研究[D]． 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學， 2017．

[4] 史玉升，魯中良，章文獻，等 ． 選擇性激光熔化快速成形技術與裝備 [J]． 中國表面工程， 2006 ， 19(5) ： 150-153．

[5] Van Elsen M．Complexity of selective laser melting ： a new optimization approach [D]．Leuven ： Katholieke Universiteit Leuven ， 2007．

[6] 王海麗，劉斌，劉和平，等 ． 選區(qū)激光熔化鎳基合金粉末 GH4169組織與力學性能分析 [J]． 熱加工工藝， 2015 ， 44(10) ： 90-96．

[7] 尹燕，劉鵬宇，路超，等 ． 選區(qū)激光熔化 GH4169 粉體特性及成型件組織結構的研究 [J]． 熱噴涂技術， 2017 ， 9(3) ： 56-62．

[8] 王會杰，崔照雯，孫峰，等 ． 激光粉末床熔融成形技術制備高溫合金 GH4169 復雜構件 [J]． 粉末冶金技術， 2016 ， 34(5) ：368-372．

[9] 杜膠義 ．GH4169 鎳基合金粉末選區(qū)激光熔化基礎工藝研究[D]． 太原：中北大學， 2014．

[10] 路超 ．GH4169 金屬粉末選區(qū)激光熔化成型工藝及性能研究[D]． 蘭州：蘭州理工大學， 2017．

[11] 孫雄凱 ．GH4169 合金選區(qū)激光熔化熔池形態(tài)及氣孔缺陷研究 [D]． 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學， 2018．

[12] Simchi A ， Pohl H．Effects of laser sintering processing parameters on the microstructure and densification of iron powder [J]．Materials Science and Engineering ： A ， 2003 ， 359(1) ： 119-128．

[13] 王迪，楊永強，吳偉輝 ． 光纖激光粉末床熔融 316L 不銹鋼工藝優(yōu)化 [J]． 中國激光， 2009 ， 36(12) ： 3233-3299．

[14] GH4169 合金棒材，鍛件和環(huán)形： GB/T30566-2014[S]．[15] Nickel Alloy ， Corrosion and Heat-Resistant ， Investment Castings 52.5Ni-19Cr-3.0Mo-5.1Cb (Nb)-0.90Ti-0.60Al-18Fe Vacuum Melted Homogenization and Solution Heat Treated UNS N07718 ： AMS 5383E-2007[S]．

[16] Standard Specification for Additive Manufacturing Nickel Alloy (UNS．N07718) with powder bed fusion ： ASTM F3055-14[S]．

相關鏈接