摘要
随着现代航空工业的飞速发展，高推重比航空发动机对Inconel 718(IN718)镍基高温合金的服役性能提出了更高的要求，亟需进一步提升材料的性能。激光选区熔化(Selective laser melting, SLM)技术成形金属基复合材料(Metal Matrix Composites, MMCs)是实现材料性能提升的可行途径，不仅可以避免传统制造技术成形MMCs遇到的增强体/基体界面开裂、增强体分布不均匀、增强体在晶界偏析等问题，而且还具有一体化制造复杂外形结构的航空发动机零部件的优势。本文以TiB2作为增强相，对SLM技术成形IN718/TiB2复合材料的数值模拟、微观组织和力学性能展开了系统的研究，主要研究内容如下： ⑴ 基于离散单元法，建立了IN718粉末SLM成形铺粉工艺的数值模型，重点研究了粉末粒径、粉末层厚与刮刀速度三个主要铺粉参数对粉末床铺粉质量的影响。模拟结果表明，当粉末粒径越大、铺粉层厚越小和刮刀速度越高，粉末床的铺粉质量表现为变差的趋势。粉末粒径越大和铺粉层厚越小会导致壁面效应更强，进而使粉末床质量变差，而刮刀速度增大，会导致沉积颗粒的数量减少，且沉积颗粒由于速度大而具有较大的运动趋势，两者共同使粉末床质量变差。 ⑵ 基于流体体积法，建立了SLM成形IN718熔道的热流耦合数值模型，研究了IN718的熔池动力学行为。模拟结果表明，随着扫描速度降低，熔池更宽、更深，熔道形貌更扁平，冷却速率更低，而当扫描速度降低至300 mm/s时，熔池模式转变为“匙孔模式”，凹腔深度和熔池深度总是先增加，然后稳定在一定范围内波动，最后随着激光关闭而减小。此外，基于离散相模型，建立了增强颗粒运动行为数值模型，模拟结果表明，驱动颗粒运动的主要作用力是熔体的反冲压力和马兰戈尼力，熔池中心的最高温度超过了 TiB2颗粒的熔点，会导致部分颗粒熔化，在更低的扫描速度下，颗粒的速度更高，最高温度也更高。 ⑶ 基于二维晶格错配度理论，计算得到 TiB2与基体的最小错配度为 21.3%，表明TiB2能有效促进IN718的异质形核过程。成形了IN718-0 wt.%TiB2(IN718-P)、IN718-1 wt.%TiB2 (IN718-1)、IN718-2 wt.%TiB2 (IN718-2)三种样件，对应的最优相对密度分别为99.71%、99.34%、99.67%。对最优参数下的样件进行了微观组织表征和力学性能测试，微观组织结果表明，复合材料晶粒发生细化，且IN718-2的晶粒细化程度比IN718-1更大，复合材料的小角度晶界比IN718-P显著增多，且随着TiB2颗粒的含量增加而增加。力学性能结果表明，IN718-2的室温下的硬度、屈服强度、抗拉强度相比于 IN718-P 分别提高了 19.93%、24.83%和 11.07%，而在650℃高温下的屈服强度和抗拉强度分别提高了 31.76%和 17.62%，相比之下， IN718-1的力学性能提升较少，复合材料主要的强度增强机制为晶粒尺寸细化强化和增强位错密度强化。
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