《Nature》子刊：一種3D打印的高強度、抗缺陷高溫合金！

來源：材料科學(xué)與工程

增材制造有望實現(xiàn)高經(jīng)濟價值金屬材料生產(chǎn)的重大轉(zhuǎn)變，使具有創(chuàng)新、復(fù)雜的設(shè)計和最小的材料浪費成為可能。最大的挑戰(zhàn)是合金設(shè)計，既要與獨特的添加劑處理條件兼容，又要保證材料性能足以應(yīng)對能源、空間和核應(yīng)用等具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境。

近日，來自美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校的Tresa M. Pollock等研究者，報道了一類高強度、抗缺陷的3D打印高溫合金，成分主要是含有大約相等的Co和Ni，以及Al、Cr、Ta和W。在打印和后期加工時具有超過1.1 GPa的強度，在室溫下拉伸延性大于13%。相關(guān)論文以題為“A defect-resistant Co–Ni superalloy for 3D printing”發(fā)表在NatureCommunications上。

論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-18775-0

基于金屬的增材制造(AM)，或三維打印(3D)，能夠以優(yōu)化的幾何形狀制造接近凈形狀的金屬部件，這是傳統(tǒng)制造技術(shù)無法實現(xiàn)的。由于設(shè)計靈活性的提高，人們對將3D打印方法應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、汽車和航空航天的商用合金產(chǎn)生了濃厚的興趣。然而，只有有限數(shù)量的現(xiàn)有合金能夠適應(yīng)金屬基體AM過程中出現(xiàn)的復(fù)雜熱條件，即通過激光或電子束能量源對金屬粉末進行局部熔化來實現(xiàn)組件的逐層生長。

由于鎳基高溫合金在高溫下具有優(yōu)異的機械性能，因此它們是制造結(jié)構(gòu)部件的首選材料，如用于飛機發(fā)動機和陸地天然氣渦輪高溫部分的單晶(SX)渦輪葉片和葉片。這些合金由高體積分?jǐn)?shù)(>0.6)亞微米尺寸的立方型析出相γ′(Ni3(Al,Ti)，L12)組成，這些析出相與固溶強化基體相一致，或γ相(Ni, A1)。然而，許多性能最好的鎳基高溫合金被發(fā)現(xiàn)是不可焊的，這是由于凝固后不久的凝固相γ′快速沉淀，增強了附近凝固的材料，阻礙了熱應(yīng)力的松弛，導(dǎo)致應(yīng)變時效開裂。

當(dāng)液相γ凝固時，通過γ′排斥形成液相的元素，如鋁、鈦和Ta，使液相局部富集。這種溶質(zhì)分離降低了局部液相線的溫度，在固體枝晶之間形成了富含溶液的液體薄膜，在冷卻過程中，固體枝晶在熔體池中以不同的速率收縮，導(dǎo)致拉應(yīng)力和開裂。在給定溫度下，通過改變合金成分，控制液相成分和組分，可以影響裂紋敏感性。原則上，溶質(zhì)的分離和沉淀過程可以被整體成分的變化所改變。

高性能工程合金的開裂敏感性，包括高容積率γ′鎳基高溫合金，高強度鋁合金和耐火合金，成為了這些合金用于增材制造的主要障礙。對于在較低溫度下工作的合金，如高強度鋁合金，通過對粉末表面功能化來控制熔池中的晶粒形核可以減輕裂紋問題。然而，這導(dǎo)致晶粒尺寸小，不宜高溫操作。因此，AM需要創(chuàng)新的合金設(shè)計，尤其是在更惡劣的環(huán)境下。

本文中，研究者提出了一種可以通過選擇性激光熔煉(SLM)和電子束熔煉(EBM)兩種制造途徑加工的CoNi-基高溫合金，盡管存在高體積分?jǐn)?shù)的理想“熔化”相γ′，但仍可產(chǎn)生無裂紋的部件。在凝固過程中，較低的溶質(zhì)偏析降低了裂紋敏感性，而一旦凝固完成，降低的液相γ′-“溶解”溫度減輕了開裂。室溫拉伸試驗表明，與目前正在研究的其他鎳基高溫合金相比，CoNi-基高溫合金具有優(yōu)良的延性和強度組合。

圖1 利用EBM和SLM增材制造CoNi-基高溫合金

圖2 在布里奇曼澆鑄、EBM和SLM后的打印化學(xué)分離

圖3 定量EPMA的地圖

圖4 EBM在后處理前后的微觀結(jié)構(gòu)演變

圖5 后處理前后SLM的微觀結(jié)構(gòu)演變

圖6 SB-CoNi-10在室溫下EBM和SLM的拉伸試驗

圖7 EBM事后拉伸標(biāo)本的EBSD

綜上所述，研究者最近開發(fā)的CoNi-基高溫合金SB-CoNi-10，已經(jīng)成功地使用EBM和SLM進行了打印。打印的微觀結(jié)構(gòu)顯示，在EBM和SLM凝固過程中，良好的溶質(zhì)分配與良好的γ′-“溶解”溫度相結(jié)合，可以抑制開裂。對CoNi-基高溫合金成分進一步研究，對今后的AM應(yīng)用具有廣闊的前景。新興的高通量實驗和計算工具現(xiàn)在能夠快速探索多維成分空間，以發(fā)現(xiàn)AM所需的合金。