Ni-Al金属间化合物的电弧增材制造技术基础研究

摘要

Ni3Al与NiAl金属间化合物具有高熔点、低密度、高抗氧化性等优点，在航空航天领域应用前景广阔。通常，该材料主要以熔铸法制备，存在工艺复杂、生产周期长等缺点，阻碍了其商业化应用。电弧增材制造技术具有高效率、低成本与制造周期短等优点，对于Ni-Al金属间化合物制备有很大潜力。本文以等离子弧为热源，镍丝、铝丝/铝粉为填充材料，开展了Ni-Al金属间化合物电弧增材制造工艺研究。主要研究结果如下。 研究发现双丝夹角，及其投影交点位置是影响沉积件成形质量的关键因素。当双丝夹角θ<30°时，低熔点铝丝会提前熔化，在熔池外部形成铝滴，无法稳定进入熔池，且会对熔池产生较大的冲击，导致沉积件表面起皱、侧边突出。当双丝夹角θ≥30°，且投影交点位置位于等离子弧后2mm时，铝丝会直接插入熔池，避免了上述现象，提高了熔池的稳定性和成形质量。 研究了主要工艺参数，包括镍含量、热输入、预热与热处理对Ni-Al金属间化合物沉积件微观组织与力学性能的影响，发现随着镍含量的增加，显微组织由M-NiAl/Ni3Al双相组织逐渐向块状Ni3Al+γ-Ni/γ'-Ni3Al组织转变。当镍含量大于85.2wt.%时，零件全部由块状Ni3Al+γ-Ni/γ'-Ni3Al组织组成。其次，热输入越大，熔池峰值温度越高，流动性越好，凝固时间越长，铝元素分布越均匀。随着热输入的增加，沉积件组织逐渐由胞状晶组织向树枝晶组织转变，当热输入大于2.913kJ/mm时，完全由树枝晶组织组成。热处理对沉积件物相组成和分布特征无明显影响，预热能够通过增加M-NiAl组织含量，减少γ+γ'共晶组织含量来抑制沉积件开裂倾向。当预热功率小于12.5kW时，沉积件裂纹能够得到有效抑制。但是，随着预热功率的增加，γ+γ'共晶组织含量逐渐增加，开裂倾向增加。 探讨了铝粉添加量对沉积件开裂倾向、显微组织与力学性能的影响规律，发现随着铝粉添加量的增加，沉积件的网状γ'-Ni3Al/γ-Ni组织、圆形颗粒状γ'相增加，增强了析出强化效应，从而增大了试样抗拉强度，但是减少了延伸率，及其塑性变形能力，导致试样开裂倾向增大。当铝粉添加量为1.03g/min时，沉积件抗拉强度最大，延伸率最小，分别为519.4MPa和26.7%；随着铝粉添加量逐渐增加至1.03g/min，晶界γ'相逐渐增加，导致沉积件抗拉强度各向异性程度由纯Ni的0.05%增加至4.91%。

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摘 要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 Ni-Al金属间化合物概述

1.2.1 Ni3Al基本特性简介

1.2.2 NiAl基本特性简介

1.2.3 Ni-Al金属间化合物的制造方法

1.3 Ni-Al金属间化合物与电弧增材制造的研究现状

1.3.1 Ni-Al金属间化合物的研究现状

1.3.2 电弧增材制造的研究现状

1.4 本文主要研究内容

2 实验方法、材料与设备

2.1 实验方法

2.2 实验材料

2.3 实验设备

2.3.1 电弧增材制造设备

2.3.2 感应加热设备

2.4 材料表征方法与设备

3 Ni-Al金属间化合物的外观成形研究

3.1 引言

3.2 沉积速度对沉积件外观形貌与尺寸的影响规律

3.3 沉积电流对沉积件外观形貌与尺寸的影响规律

3.4 镍丝与铝丝夹角对沉积件外观形貌与尺寸的影响规律

3.5 镍丝与铝丝投影交点位置对沉积件外观形貌的影响规律

3.6 本章小结

4 Ni-Al金属间化合物的组织性能研究

4.1 引言

4.2 镍含量对Ni-Al金属间化合物沉积件组织的演变规律

4.2.1 实验方案

4.2.2 显微组织转变及机理

4.2.3 显微硬度分析

4.3 热输入对????-Ni/????′-Ni3Al双相组织与成分均匀性的影响

4.3.1 实验方案

4.3.2 显微组织转变及机理分析

4.3.3 成分均匀性分析

4.3.4 显微硬度分析

4.4 预热与热处理对裂纹与M-NiAl组织的影响

4.4.1 实验方案

4.4.2 M-NiAl组织转变及机理分析

4.4.3 显微硬度分析

4.5 本章小结

5 铝粉添加量对Ni-Al金属间化合物裂纹的影响

5.1 引言

5.2 实验方案

5.3 裂纹分析

5.3.1 宏观分析

5.3.2 微观分析

5.4 力学性能分析

5.4.1 显微硬度分析

5.4.2 拉伸性能分析

5.4.3 拉伸断口分析

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 课题展望

致谢

参考文献

附录