重大唐倩教授顶刊丨激光粉末床熔融GH4099高温合金的工艺优化及热处理影响机制
摘要
重庆大学唐倩和李坤教授团队对GH4099高温合金的激光粉末床熔合（LPBF）增材制造工艺进行了优化，并研究了热处理对微观结构和力学性能的影响。该合金主要适用于航空发动机燃烧室等高温部件，经热处理后形成等轴晶和柱状晶混合结构，显著提高硬度、抗拉强度。通过响应面法优化工艺参数，并与IN718/IN625等合金对比，为GH4099合金在航空航天领域的应用提供了研究基础。
正文
近日，重庆大学先进装备机械传动国家重点实验室的唐倩教授&李坤教授团队研究了GH4099高温合金激光粉末床熔合增材制造工艺参数优化及热处理对微观组织和力学性能的影响。相关研究成果以题为 “Laser Powder Bed Fusion of GH4099 Superalloy: Parameter Optimization and Effect of Heat Treatment on Microstructure and Mechanical Properties” 发表在期刊Additive Manufacturing Frontiers上。
Ni-Cr-Co-W高温合金(GH4099)被用来制造900℃以下长期使用的航空发动机燃烧室等高温结构部件。沉积的GH4099合金主要由外延生长的柱状晶和M23C6碳化物组成，没有生成γ′相。固溶处理后，合金发生再结晶和晶粒长大，形成形状不规则的大多边形柱状晶体。时效过程中析出大量γ′相，其内部以等轴晶和柱状晶的混合形式存在。在沉积态和热处理态试样中观察到不同的强化机制。在沉积状态下晶界强化效果最为显著，而固溶强化主要是由于Mo、W和Cr等元素在γ基体中的偏析。γ′相的析出强化是GH4099高温合金时效处理的主要强化机制。
https://doi.org/10.1016/j.amf.2024.200133
（1）综合优化激光功率、扫描速度和扫描间距这三个因子变量，最终得到试样响应密度为8.354 g/cm3。
（2）固溶处理后合金发生再结晶和晶粒长大，形成形状不规则的多边形柱状晶胞。随后的时效过程中析出大量γ′相，但其内部以等轴晶和柱状晶的混合形式存在。
Fig. 2. The process optimization process and the sample after molding: (a) Single process exploration; (b) RSM density optimization; (c) LPBF sample preparation; (d) Two types of tensile sample processing.
3D打印样品OM和SEM图像
热处理后样品的OM和SEM图像
高温拉伸性能
Ni-Cr-Co-W高温合金(GH4099)是一种典型的析出硬化型高温合金，即使在900°C以下也具有长期使用耐久性，在1000°C下也具有短时使用能力。采用Cr、Co、W、Mo等元素进行固溶强化，加入Al、Ti形成时效强化相，加入B、Ce、Mg等元素强化和净化晶界。这使其成为航空发动机燃烧室、加强筋和机翼等高温结构件的理想材料。
