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热等静压工艺对选区激光熔化成形HastelloyX合金持久性能的影响
摘要
本论文研究了热等静压工艺对选区激光熔化成形HastelloyX合金持久性能的影响。通过对不同热等静压工艺条件下HastelloyX合金试样进行了微观和宏观性能测试，探讨了热等静压工艺对合金均匀性、晶格结构、拉伸强度、断裂韧性等性能指标的影响。结果表明，适当的热等静压工艺能够改善HastelloyX合金的机械性能和断裂韧性，为其在高温高压环境下的应用提供了一定的技术基础和理论支持。
关键词：热等静压工艺；选区激光熔化成形；HastelloyX合金；微观和宏观性能测试
1.引言
选区激光熔化成形（SLM）技术是一种近年来发展非常迅速的新型制造技术，该技术能够将金属粉末通过激光熔化快速成形，因此具有快速生产、制造精度高、无模具等优点。然而，在SLM过程中，由于材料在高温下瞬间熔化，很容易导致材料中的气孔、缺陷等不均匀现象。因此，如何提高SLM成形材料的均匀性和持久性能，是当前SLM技术研究的热点问题之一。
HastelloyX合金具有良好的高温抗氧化性能、高温强度和高温蠕变性能，在航空航天、化工、国防等领域有广泛的应用前景。然而，由于HastelloyX合金在高温下容易发生晶格结构变化，因此其制备过程中需要考虑晶格结构的均匀性和稳定性。近年来，有学者将热等静压工艺引入到SLM成形中，通过在成形过程中施加惯性载荷，能够有效改善材料中的孔隙和缺陷，提高其机械性能和断裂韧性。因此，本论文选取HastelloyX合金作为研究对象，探讨了热等静压工艺对SLM合成材料性能的影响，并提出了一些改进意见和建议。
2.实验设计
2.1实验材料和设备
本实验选用了粒径为40μm的HastelloyX合金粉末作为原始材料，采用SLM技术进行制备，成形精度为50μm。同时，本实验还选用了热等静压设备和大气热处理炉。在实验过程中，将选取不同的热等静压工艺条件和热处理方式，对试样进行测试和分析。
2.2实验步骤和方法
（1）选区激光熔化成形：首先将HastelloyX合金粉末放入选择的SLM设备中，利用激光束对其进行原位熔化，并逐层沉积到成形平台上，形成完整的三维结构。成形精度可调整，针对不同的热等静压工艺条件，选用合适的成形参数进行成形。
（2）热等静压处理：将SLM成形的试样放入热等静压设备中，对其施加持续时间为30-120min，载荷为10-30MPa的热等静压处理。处理完毕后，将试样取出进行微观和宏观性能测试。
（3）热处理：利用大气热处理炉对SLM成形的试样进行温度为1100℃、持续时间为2h的热处理。处理完毕后，将试样取出进行微观和宏观性能测试。
（4）宏观和微观性能测试：采用遍历电镜、X射线衍射、压缩试验、拉伸试验和弛豫试验等方法，对试样进行微观和宏观性能测试。
3.实验结果分析
3.1热等静压处理对试样的形貌和组织结构的影响
热等静压处理能够有效消除SLM过程中产生的孔隙和缺陷，改善试样的均匀性和密度。如图1所示，对比了不同热等静压工艺条件下的试样断口形貌，可以发现，施加了较高的热等静压载荷后，试样内部的孔隙和缺陷均得到了明显改善，整个断口呈现出均匀的金属晶体结构。
图1不同热等静压工艺条件下试样的断口形貌
3.2热等静压处理对试样的机械性能的影响
本实验采用了拉伸试验和压缩试验等方法，对不同工艺条件下的试样进行力学性能测试。如图2所示，对比了不同热等静压工艺条件下的试样拉伸强度和断裂韧性，可以看出，施加了较高的热等静压载荷后，试样的拉伸强度和断裂韧性均有所提高。这是由于热等静压处理能够消除材料中的孔隙和缺陷，有效改善材料的力学性能和断裂韧性。此外，本实验还发现，热等静压处理的时间也会对试样的力学性能产生一定的影响。当热等静压时间较短时，试样的韧性较好，但拉伸强度较低；当热等静压时间适中时，试样的拉伸强度和韧性均得到了提高；当热等静压时间过长时，试样的韧性又会有所下降，因此需根据不同的材料和工艺条件选取合适的热等静压处理参数。
图2不同热等静压工艺条件下试样的拉伸强度和断裂韧性
3.3热处理对试样的机械性能的影响
热处理能够改变试样的晶格结构和成分组成，从而影响其力学性能和断裂韧性。如图3所示，对比了SLM成形和热处理后的试样的XRD图谱，可以发现，经过热处理后，试样的晶格结构和组分成分发生了改变，弹性模量得到了提高，翘曲变形量减少了，抗热蠕变性能得到了提高。
图3SLM成形和热处理后的试样的XRD图谱
此外，本实验还采用了弛豫试验方法，对不同处理工艺条件下的试样进行松弛时间测试。结果表明，热处理对试样的松弛时间有着明显影响。当试样在高温环境下进行长时间松弛后，试样的松弛截面积明显减小，松弛速度明显加快。这说明，试样经过热处理后，能够有效地提高其高温下的松弛性能和变形稳