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(diǎn)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(jià)值零件使用壽命為出發(fā)點(diǎn)，同時(shí)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(diǎn)愈合，而形成液化裂紋。

熔覆層中低熔點(diǎn)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(shí)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?cái)U(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(shí)效態(tài)熔覆層?？棙?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(shí)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。