選區(qū)激光熔化技術(shù)(selectivelasermelting, SLM)是增材制造技術(shù)中的一種粉末床熔煉技術(shù)，其原理是 利用激光選擇性熔化連續(xù)層金屬粉末并形成近網(wǎng)狀零件。與其他增材制造技術(shù)相比,SLM技術(shù)可以制備出表面 質(zhì)量好、尺寸精度高、內(nèi)部缺陷較少的零件。近年來，選區(qū)激光熔化技術(shù)因其對(duì)幾何復(fù)雜零件的設(shè)計(jì)和制造 具有高度靈活性而受到越來越多的關(guān)注，已逐漸成為金屬增材制造的主流。

GH4169合金因其較優(yōu)良的拉伸、蠕變、疲勞強(qiáng)度和持久強(qiáng)度，在工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)和核反應(yīng)堆 渦輪機(jī)等許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，已成為航空航天領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛、用量最多的高溫合金&呵。但 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的GH4169合金無法滿足現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)所要求的高比強(qiáng)度 、高比剛度等性能要求。為了適應(yīng)多種應(yīng)用環(huán)境，就需要提升GH4169的綜合性能。其中，顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù) 合材料在一定程度上滿足了這種需求，目前，通過在金屬基體中添加一定的高強(qiáng)度、高硬度的陶瓷顆粒來改 善材料性能成為金屬基復(fù)合材料研究熱點(diǎn)之一m切。然而，采用傳統(tǒng)的方法生產(chǎn)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料零 件，會(huì)導(dǎo)致致密化不足、顆粒微觀結(jié)構(gòu)和團(tuán)聚不規(guī)律，孔隙和裂紋的產(chǎn)生以及顆粒與基體的潤(rùn)濕性也會(huì)影響 陶瓷顆粒對(duì)復(fù)合材料的增強(qiáng)效應(yīng)問。而SLM由于其非平衡、快速熔化和凝固的特點(diǎn)，能夠很好地解決顆粒與 基體之間的界面結(jié)合問題。Xia等網(wǎng)采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)合的方式，研究了 SLM參數(shù)對(duì)WC/Inconel718復(fù)合 材料微觀組織及力學(xué)性能的影響。研究表明：隨著激光掃描速度的提高，材料的顯微硬度及抗拉強(qiáng)度明顯提 高，延展率略有降低；當(dāng)掃描速度從400mm/s提高到700mm/s時(shí),材料晶粒明顯細(xì)化。Nguyen等問成功制備了 WC含量不同的WC/Inconel718復(fù)合材料，并研究了 WC含量對(duì)Inconel718合金微觀形貌及力學(xué)性能的影響。研 究結(jié)果表明：SLM參數(shù)設(shè)置合理時(shí)，可以得到幾乎致密(99.54%)的復(fù)合材料；當(dāng)WC含量為15wt% 時(shí),WC/Inconel718復(fù)合材料的顯微硬度和拉伸強(qiáng)度顯著提高。Rong等阿采用選區(qū)激光熔化技術(shù)成功制備了 WCl-X/Inconel718復(fù)合材料，并研究了激光功率對(duì)復(fù)合材料零件的致密度、顆粒分布狀態(tài)及顯微組織的影響 。研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)激光能量線密度為303 J/m時(shí),WC1-X顆粒在基體中分布均勻，與基體結(jié)合良好，在WC1-X與基 體間存在梯度界面層，并對(duì)該擴(kuò)散層進(jìn)行了研究。研究表明：擴(kuò)散層由(W,M)C3(M=Ni,Cr,Fe)組成,且其厚度 和微觀形貌受施氫量的影響。關(guān)于選區(qū)激光熔化成形WC/GH4169復(fù)合材料摩擦磨損性能的研究還鮮有報(bào)道。 本文采用SLM技術(shù)制備了 GH4169合金和WC/GH4169復(fù)合材料，通過對(duì)比分析成形態(tài)的GH4169合金與WC/GH4169復(fù)合材料的組織和性能，為SLM成形高性能復(fù)合材料以及應(yīng)用提供技術(shù)參考和理論依據(jù)。

1、試樣制備和試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)制備

試驗(yàn)采用氣霧化法制備的GH4169高溫合金粉末和球磨制備的WC粉末，粒徑范圍為15?53μm,其 中.GH4169合金粉末的化學(xué)成分見表1。

將粉末材料按80%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的GH4169合金粉末和20%WC粉末，在YXQM-2L立式行星球磨機(jī)中進(jìn)行 混粉，球磨轉(zhuǎn)速為200r/min,球磨混合時(shí)間為4h。為防止其氧化，使用真空干燥機(jī)將球磨罐進(jìn)行抽真空干燥 處理，為去除粉末中團(tuán)聚的粉末顆粒,保證混合粉末良好的流動(dòng)性，球磨后采用200目的篩網(wǎng)對(duì)得到的混合粉 末進(jìn)行篩選。圖1為WC/GH4169混合粉末的SEM形貌圖。

試驗(yàn)采用EP-M150型SLM設(shè)備，制備GH4169合金和添加WC粉末的WC/GH4169復(fù)合材料。激光參數(shù)設(shè)置為:激 光功率為285W、掃描速度960mm/s、掃描厚度為30p.m.考慮到選區(qū)激光熔化成形過程中試樣的快速加熱及冷 卻所產(chǎn)生的較大熱應(yīng)力問題,采用相鄰層間的掃描路徑夾角為67。的掃描策略。

1.2分析測(cè)試

為了方便對(duì)比，標(biāo)記平行于打印方向的為橫截面,垂直于打印方向的為縱截面，所有試樣不同截面依次 通過280?2000#砂紙打磨后，在拋光機(jī)(HYP-1)上進(jìn)行拋光，將拋光后的樣品進(jìn)行腐蝕(3%HF +6%HNO3+91%HCL),腐蝕時(shí)間約為3?7s。

采用金相顯微鏡(DMI8/MC190HD).掃描電鏡(SU-1500)對(duì) SLM 成型 GH4169 合金及 WC/GH4169復(fù)合材料 的表面形貌、金相組織進(jìn)行觀察、分析。采用HV-1000A顯微硬度計(jì)、HSR-2M型高速往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行 力學(xué)性能測(cè)試，硬度測(cè)試時(shí)載荷為500g,加載時(shí)間為10s,每個(gè)試樣測(cè)10次求平均值得到顯微硬度。摩擦對(duì)偶 選用直徑為φ5mm的SisN。陶瓷球，法向載荷為15NO輪盤轉(zhuǎn)速為360勤r/min,待磨試樣保持靜止，摩擦對(duì)偶做髙速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行長(zhǎng)度為5mm,測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為30min。

2、試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 GH4169合金和WC/GH4169復(fù)合材料的成形態(tài)組織

圖2為GH4169合金及WC/GH4169復(fù)合材料試樣橫截面的金相組織。從圖中可以清楚的觀察到SLM成形過程 中的掃描路徑，相鄰熔池間距約為80Fim,無明顯微裂紋及微孔等冶金缺陷。表明該工藝制備的GH4169合金及 WC/GH4169復(fù)合材料的微觀組織均勻且致密，成形良好。由圖2(b)可以看出WC顆粒呈層片狀形態(tài)均勻分布在 基體內(nèi)。

圖3為SLM成形GH4169合金及WC/GH4169復(fù)合材料縱截面的SEM組織形貌。由圖3(a)可看出，合金以柱狀結(jié) 構(gòu)為主，大量柱狀結(jié)構(gòu)穿越熔池生長(zhǎng)，且生長(zhǎng)方向平行或者近似平行于成形方向。這是由于SLM成形過程中 ，在激光作用下，不僅未熔粉末完全熔化，前面己經(jīng)凝固的部分再次被熔化，形成新的熔池。熔池的熱量首 先通過熔池的邊界傳遞給已經(jīng)凝固的部分，然后再通過基板向外傳遞。由于熔池中固液界面前存在很大的正溫度梯度和儲(chǔ)存能，不具備形核條件，只能在已經(jīng)凝固的晶粒方向上優(yōu)先向熔池內(nèi)部生長(zhǎng)，從而形成了穿越多層生長(zhǎng)的柱狀結(jié)構(gòu)。

與GH4169合金組織相比.WC/GH4169復(fù)合材料試樣中柱狀結(jié)構(gòu)變得不明顯，枝晶長(zhǎng)度明顯變細(xì)變短，且在 熔道內(nèi)部析出相明顯增多。這是由于WC顆粒熔點(diǎn)極高，選區(qū)激光熔化過程中WC顆粒無法完全熔化，殘留的WC 顆粒使得熔池液體流動(dòng)性變差。又由于WC顆粒的熱導(dǎo)率低于基體，在熔池凝固時(shí)能有效阻礙熱流傳導(dǎo)，一定 程度上起到“熱封”作用，這導(dǎo)致SLM成形過程中的快速凝固得到緩解，熔池內(nèi)的各元素有更多的時(shí)間擴(kuò)散，因此將會(huì)析出更 多的沉淀相。另外,WC/GH4169復(fù)合材料的晶粒較GH4169合金相比明顯變小，說明WC顆粒的加入起到了細(xì)化晶 粒的效果。

2.2硬度試驗(yàn)

圖4為GH4169合金和WC/GH4169復(fù)合材料成形件的顯微硬度變化曲線。可看出.WC/GH4169復(fù)合材料試樣的 平均顯微硬度值為51&36HV,明顯高于GH4169合金試樣的顯微硬度357.37HV,提高了 45.1%。這主要是由 于WC顆粒的加入一方面使組織細(xì)化，引起細(xì)晶強(qiáng)化，晶粒越細(xì)小，晶界越多，位錯(cuò)滑移阻礙就越大，強(qiáng)度、 硬度得以提高。另一方面WC顆粒的加入一定程度上引起了晶格畸變，在顆粒周圍產(chǎn)生了局部應(yīng)力場(chǎng)，應(yīng)力場(chǎng) 對(duì)位錯(cuò)起到了有效的釘扎作用，使得WC/GH4169復(fù)合材料的性能得以提升。

2.3摩擦性能

圖5為GH4169合金及WC/GH4169復(fù)合材料打印態(tài)的時(shí)間-摩擦系數(shù)關(guān)系曲線。從曲線可看出，WC/GH4169復(fù) 合材料的摩擦系數(shù)(最高1.0)明顯低于GH4169合金的摩擦系數(shù)(最高1.5),且WC/GH4169復(fù)合材料的摩擦系數(shù)比 較穩(wěn)定，波動(dòng)范圍小，這說明該復(fù)合材料的耐磨性有明顯提高。這是因?yàn)閃C顆粒通過液相直接析出，組織細(xì) 小均勻，且WC顆粒硬度高，能起到彌散強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化的作用。

圖6為GH4169合金及WC/GH4169復(fù)合材料試樣打印態(tài)下的磨痕微觀形貌。從圖6(a)可看出，GH4169合金磨 損后的表面出現(xiàn)明顯的剝層現(xiàn)象，且有大小不等、且凹凸不平的結(jié)疤，可見,GH4169合金以粘著磨損為主要 磨損機(jī)制。從圖6(b)可看出.WC/GH4169復(fù)合材料的表面相對(duì)較為光滑，出現(xiàn)了細(xì)而淺的犁溝，僅有少量的剝 落,磨損量小且磨損痕跡不明顯的。該復(fù)合材料中由于WC增強(qiáng)體在基體中均勻分布,磨損過程中能夠很好的支 撐基體，提高了基體的耐磨性。

3、結(jié)論

(1) 采用SLM工藝制備了 GH4169合金和WC/GH4169復(fù)合材料,WC增強(qiáng)體以細(xì)小層片狀均勻的分布在基體中 ，成形件表面光滑，致密度高，成形質(zhì)量好。

(2) 添加WC粉末后,WC/GH4169復(fù)合材料的顯微硬度、耐磨性明顯提高,WC/GH4169復(fù)合材料硬度為518.36 HV,相比GH4169合金(357.37HV)提高45.1%；WC/GH4169復(fù)合材料的摩擦系數(shù)明顯低于GH4169合金的摩擦系數(shù) ，且WC/GH4169復(fù)合材料的摩擦系數(shù)比較穩(wěn)定,波動(dòng)范圍小。

(3) 從組織上看，加入WC顆粒，原柱狀晶結(jié)構(gòu)變細(xì)變小,WC顆粒均勻分布在基體中，起到彌散強(qiáng)化和細(xì) 晶強(qiáng)化作用，使得WC/GH4169復(fù)合材料的硬度和耐磨性能提高。

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