激光熔覆技術(shù)以其高的能量密度和加工精度、寬泛的材料選擇及良好的冶金結(jié)合界面等特點成為再制造工程的關(guān)鍵技術(shù)之一。

再制造工程是以延長具有高附加價值零件使用壽命為出發(fā)點，同時以提升廢舊零件表面性能為目的，契合構(gòu)建循環(huán)經(jīng)濟(jì)的國家戰(zhàn)略需求。激光熔覆層晶粒生長取向良好，優(yōu)于鑄鍛合金力學(xué)性能，在發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)渦輪葉片等零件的修復(fù)再制造等方面具有廣闊應(yīng)用前景。 

本文面向再制造工程，以激光熔覆GH4169鎳基高溫合金涂層為研究對象，主要研究內(nèi)容有：激光熔覆涂層的制備及組織分析，冷卻速度對熔覆層組織形態(tài)和成分偏聚的影響規(guī)律；多層堆積過程中的組織定向生長行為及多層堆積熔覆層中裂紋形態(tài)及裂紋敏感性因素分析；熱處理對熔覆層組織、成分偏聚和力學(xué)性能的影響，揭示成分偏聚行為與熔覆層強(qiáng)韌化機(jī)制的關(guān)系。

主要的研究結(jié)果有： 采用優(yōu)化工藝參數(shù)可制備成形良好、稀釋率低、無缺陷且與基體冶金結(jié)合良好的激光熔覆GH4169合金涂層。在熔覆過程中，最大溫度梯度方向從熔覆層底部的垂直于基材表面轉(zhuǎn)變?yōu)槿鄹矊禹敳康内吔叫杏诩す庑凶叻较颉Ｈ鄹矊訖M截面從底部到頂部依次形成平面晶、胞狀晶、樹枝晶和等軸晶形態(tài)組織。熔覆GH4169涂層的析出相Laves相內(nèi)偏聚大量Nb和Mo，碳化物和氮化物中偏聚大量Nb和Ti。 通過提高冷卻速度，可減小熔池中成分過冷Cs和增大溫度梯度Gm，使熔覆層中樹枝晶間Laves相細(xì)化且含量減少，可抑制Nb偏聚程度并提高熔覆層中Nb的固溶強(qiáng)化作用。液氮強(qiáng)制冷卻GH4169涂層中Laves相含量約為3.5vol.%，Laves相中Nb含量約為8.5~14mass.%，均顯著低于空冷涂層，而奧氏體中Nb含量約為3.5~7.5mass.%，明顯高于空冷涂層，顯著改善了熔覆層中Nb的偏聚程度。 激光重熔GH4169涂層中有尺寸約0.2~0.9μm的顆粒狀Nb(Al, Ti)復(fù)合相在Laves相處于999℃析出。顆粒相析出是由于過飽和的Laves相在凝固冷卻過程中連續(xù)自發(fā)地分解后粗化長大形成，Laves相中的Al和Ti上坡擴(kuò)散到顆粒相中，使Al和Ti偏聚于顆粒相中。熔覆層中顆粒狀碳化物(Nb0.12Ti0.88)C1.5和四方狀氮化物(Nb0.88Ti0.12)N1.5的形成是由于極大過冷度和溫度梯度使過飽和合金元素在碳化物/氮化物和Laves相中相互擴(kuò)散和再分布，使富集Ti和Nb的碳化物和氮化物在Laves相處析出。碳化物和氮化物的平均硬度和彈性模量均遠(yuǎn)高于奧氏體，因切割機(jī)制引起的第二相強(qiáng)化作用為134.34MPa。

通過EBSD分析發(fā)現(xiàn)堆積熔覆層底部橫截面樹枝晶組織具有沿堆積方向較強(qiáng)的織構(gòu)取向，堆積過程中樹枝晶粗化且枝晶間距增大；在底部水平截面，晶粒受循環(huán)熱作用形成了較弱織構(gòu)特征的組織，大部分晶粒的生長方向受最大溫度梯度影響而趨近于100方向。熔覆層橫截面中間區(qū)域組織主要為受最大溫度梯度方向控制，且沿堆積方向定向生長的柱狀晶，熔覆層晶粒沿001方向形成晶界取向差約2°的強(qiáng)織構(gòu)組織。熔覆層組織在頂部橫截面沿001方向生長且具有小角度晶界取向和大晶粒尺寸特征；在熔覆層頂部水平截面，晶粒受最大溫度梯度影響形成強(qiáng)織構(gòu)組織。 堆積熔覆層中的裂紋為結(jié)晶裂紋和液化裂紋。橫向拉應(yīng)力可使尖端處存在應(yīng)力集中的熔覆缺陷和小液化裂紋，在粗大Laves相和碳化物共晶處，沿堆積方向和激光熔覆方向擴(kuò)展，液態(tài)金屬來不及填充開裂的枝晶間隙，裂紋末端在熔覆層頂部和熔覆結(jié)束點愈合，而形成液化裂紋。

熔覆層中低熔點粗大連續(xù)Laves相或碳化物共晶均可為液化裂紋提供擴(kuò)展通道；熔覆層中隨堆積層數(shù)增加而增大的橫向殘余應(yīng)力可誘發(fā)小裂紋擴(kuò)展而增加裂紋敏感性。 熔覆層中只有少部分Nb以γ″-Ni3Nb析出，由于冷卻速度不夠快，熔覆層中起固溶強(qiáng)化作用的大部分Nb嚴(yán)重偏聚而形成大量Laves相。高溫固溶可使Laves相中的Nb重溶到奧氏體γ中，在時效過程中以尺寸為15~25nm的γ″-Ni3Nb在晶內(nèi)彌散析出，其與γ之間存在高錯配度，提高熔覆層的力學(xué)性能。熱處理前后熔覆層中Laves相含量及Laves相中Nb含量沿堆積方向增加，熔覆的循環(huán)熱和熱處理作用使部分Laves相分解，Laves相與γ間的濃度梯度、熔覆晶格缺陷和殘余應(yīng)力均可在高溫條件下促進(jìn)元素擴(kuò)散和Laves相的溶解。 

標(biāo)準(zhǔn)熱處理熔覆層的室溫拉伸強(qiáng)度達(dá)1334MPa，高于熔覆態(tài)涂層的918MPa，亦高于鍛造和鑄造合金；熔覆層斷裂方式為穿晶斷裂。標(biāo)準(zhǔn)熱處理熔覆層的650℃高溫拉伸性能高于980STA態(tài)熔覆層和直接時效態(tài)熔覆層。織構(gòu)組織的形成引起熔覆層力學(xué)性能各向異性。標(biāo)準(zhǔn)熱處理態(tài)堆積熔覆層沿堆積方向在650℃拉伸強(qiáng)度為938MPa，與GH4169鍛造合金高溫拉伸性能相當(dāng)，高于激光行走方向的903MPa和搭接方向的780MPa。熔覆層在激光行走方向和搭接方向高溫拉伸時均為韌性斷裂和脆性斷裂相結(jié)合，沿堆積方向的斷口完全由韌窩組成，斷裂方式為韌性斷裂。