异质材料修复K403叶片界面组织及力学性能研究

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20240019

摘要/Abstract

摘要：

以K403损伤叶片为基体，采用激光熔覆IN718合金粉末对熔覆层和基体结合的界面区域进行修复再制造．基于正交试验对激光熔覆IN718合金工艺进行优化，研究工艺参数对熔覆层成形尺寸和质量的影响规律，分析修复界面区域的组织特征以及裂纹形成机制.结果表明，裂纹从基体区萌生并向熔覆层扩展，裂纹萌生位置受熔池形状影响，裂纹数量与熔合区形貌相关；热处理后，熔覆层晶粒间的析出相由颗粒状Laves相转变为针状δ相，界面区域实现冶金结合；热处理对K403基体影响不大，但使界面区域硬度过渡更为平滑，熔覆层硬度提升近50%，热影响区宽度约为2.1 mm；抗拉强度达731.7 MPa，伸长率为3.7%，断裂类型是以脆性断裂为主的准解理断裂．

关键词: 激光熔覆, 异质材料, K403叶片, 界面组织, 力学性能

Abstract:

By taking K403 damaged blades as the substrate， IN718 alloy powder by laser cladding was used to repair and remanufacture the interface area between cladding layer and substrate. Based on the orthogonal tests， the laser cladding process for IN718 alloy was optimized， and the influence of the process parameters on the formation size and quality of the cladding layer was studied. The microstructure characteristics of the repaired interface area and the mechanism of crack formation were analyzed. The results show that cracks originate from the substrate regions and expand towards the cladding layer. The location of crack initiation is influenced by the shape of the molten pool， and the number of cracks is related to the morphology of the fusion zone. After heat treatment， the precipitates between the grains of the cladding layer transform from granular Laves phase to acicular phase δ. The interface area exhibits metallurgical bonding. The heat treatment has little effect on the K403 substrate， but it makes the hardness transition in the interface area smoother， and increases the hardness of the cladding layer by nearly 50%， the width of the heat affected zone is about 2.1 mm； the tensile strength is 731.7 MPa， and the elongation is 3.7%. The fracture type is a quasi-cleavage fracture dominated by brittle fracture.

Key words: laser cladding, heterogeneous material, K403 blade, interface microstructure, mechanical performance

中图分类号:

TH 161

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图/表 17

表1 K403基材和IN718粉末的化学成分（质量分数） (%)

Table 1 Chemical composition of K403 substrate and IN718 powder (mass fraction)

元素	Cr	Fe	Mo	Nb	Ti	Al	Co	W	Si	Ni
K403基体	10~12	<2	3.8~4.5	—	2.3~2.9	5.3~5.9	4.5~6	4.8~5.5	—	余量
IN718粉末	19.23	19.3	3.05	5.14	0.99	0.58	<0.005	—	0.055	余量

表2 K403和IN718的热物理参数

Table 2 Thermophysical parameters of K403 and IN718

试验材料	K403
温度/℃	100	200	300	400	500	600	700	800	900	1 000
线膨胀系数×10^-6/C	11.3	12.3	12.3	12.6	12.9	13.0	13.4	13.8	14.3	15.1
热导率/（W·（m·C）^-1）	14.27	14.52	17.12	18.25	19.72	20.43	22.27	23.53	24.82	—
熔化温度/℃	1 260~1 338
密度/（g·cm^-3）	8.1
试验材料	IN718
温度/℃	100	200	300	400	500	600	700	800	900	1 000
线膨胀系数×10^-6/C	11.8	13.0	13.5	14.1	14.4	14.8	15.4	17.0	18.4	18.7
热导率/（W·（m·C）^-1）	14.7	15.9	17.8	18.3	19.6	21.2	22.8	23.6	27.6	30.4
熔化温度/℃	1 260~1 320
密度/（g·cm^-3）	8.24

表3 激光熔覆IN718合金正交试验方案及结果

Table 3 Orthogonal test scheme and results of laser cladding IN718 alloy

序号	P/W	v/（mm·min^-1）	f/（r·min^-1）	W/μm	H/μm	D/μm	W/H	η	HV
1	800	240	1.6	2 682.37	349.18	420.07	7.68	0.66	413.7
2	800	360	1.8	2 560.10	186.90	485.83	13.70	0.73	440.3
3	800	480	2	2 443.30	171.54	454.02	14.24	0.77	416.5
4	800	600	2.2	2 375.13	130.63	419.08	18.18	0.78	490.8
5	1 000	240	1.8	3 060.28	434.98	583.41	7.04	0.63	374
6	1 000	360	1.6	2 883.74	247.06	510.73	11.67	0.73	428.6
7	1 000	480	2.2	2 689.63	208.65	459.17	12.89	0.75	479.5
8	1 000	600	2	2 603.46	151.56	444.29	17.18	0.80	473.7
9	1 200	240	2	3 508.66	402.25	655.39	8.72	0.69	430.9
10	1 200	360	2.2	3 045.69	352.94	498.96	8.63	0.69	448.9
11	1 200	480	1.6	2 936.33	172.32	519.73	17.04	0.81	479.5
12	1 200	600	1.8	2 783.05	119.38	488.60	23.31	0.85	475.4
13	1 400	240	2.2	3 433.22	438.06	586.17	7.84	0.65	438.1
14	1 400	360	2	3 209.00	215.57	588.58	14.89	0.78	477.6
15	1 400	480	1.8	2 954.33	119.03	520.42	24.82	0.83	461.6
16	1 400	600	1.6	2 884.78	73.62	495.20	39.19	0.87	437.8

图1 拉伸试样的选取位置和尺寸

Fig.1 Location and dimensions of tensile sample

图2 极差分析图

Fig.2 Range analysis diagram

图3 不同工艺参数下熔覆层的宏观形貌

Fig.3 Macro morphology of cladding layer under different process parameters

图4 比能对熔覆层微观组织的影响（a）—Es=266.7 kJ/m2；（b）—Es=1 166.7 kJ/m2；（c）—Es=466.7 kJ/m2；（d）—Es=833.2 kJ/m2.

Fig.4 Influence of specific energy on microstructure of cladding layer

图5 纵向裂纹在不同熔池形貌中的形成位置（a）—低能量输入；（b）—高能量输入.

Fig.5 Formation positions of longitudinal cracks in different molten pool morphologies

图6 液化裂纹形成机理（a）—熔覆开始前；（b）—熔覆进行中；（c）—熔覆结束后.

Fig.6 Mechanism of liquefaction crack formation

图7 热处理前后熔覆层和基体的微观组织（a）—热处理前熔覆层区域；（b）—热处理后熔覆层区域；（c）—热处理后K403基体.

Fig.7 Microstructure of cladding layer and substrate before and after heat treatment

表4 热处理后熔覆层和基体各点的EDS化学成分（质量分数） (treatment (mass fraction) %)

Table 4 EDS chemical composition of each point in cladding layer and substrate after heat

测试点	Al	Ti	Cr	Fe	Co	Ni	Nb	Mo	W
A	1.25	3.70	14.32	10.29	—	40.89	23.90	5.65	—
B	1.70	2.34	17.64	12.41	—	60.96	2.64	2.31	—
C	0.46	0.82	16.90	15.13	—	54.86	8.83	3.00	—
D	0.20	0.96	14.01	12.40	—	56.78	12.61	3.05	—
E	0.40	0.69	19.92	17.99	—	54.69	3.60	2.70	—
F	0.01	40.21	1.97	—	0.08	2.69	—	16.55	38.48
G	5.30	2.45	10.11	—	4.70	69.02	—	3.08	5.34

图8 样品截面显微组织的扫描电镜图（a）—界面，热处理前；（b）—界面，热处理后；（c）—熔覆层，热处理前；（d）—熔覆层，热处理后.

Fig.8 Scanning electron microscopy of microstructure of sample section

图9 热处理前后界面区域显微硬度曲线

Fig.9 Microhardness curves of interface area before and after heat treatment

表5 试样常温拉伸性能 (temperature)

Table 5 Tensile properties of specimens at room

样品

屈服强度

$R P 0.2 / M P a$

抗拉强度

$σ b / M P a$

断后伸长率

$δ / %$

表5 试样常温拉伸性能 (temperature)

Table 5 Tensile properties of specimens at room

样品

屈服强度

$R P 0.2 / M P a$

抗拉强度

$σ b / M P a$

断后伸长率

$δ / %$

未热处理

404.9

668.8

15.4

热处理

706.5

731.7

3.7

K403基体

—

773.8

3.4

图10 应力-应变曲线

Fig.10 Stress-strain curves

图11 K403基体和热处理前后试样断口形貌（a）—K403基体；（b）—热处理前；（c）—热处理后；（d）—热处理后试样断裂纵截面宏微观形貌．

Fig.11 Fracture morphology of K403 substrate and specimens before and after heat treatment

图12 激光熔覆沉积修复前后的叶片（a）—修复前；（b）—修复后．

Fig.12 Blades before and after laser cladding deposition repair

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