鎳基合金增材制造最新綜述：激光粉床熔化成形Inconel625鎳基合金研究進展

來源：材料+

增材制造又稱為3D打印，是近30年發(fā)展起來的一種先進制造技術(shù)。理論上，增材制造技術(shù)可以將任何CAD模型轉(zhuǎn)化為物理實體，這極大地增加了復雜零件的幾何設計自由度和制造能力。

圖1 激光粉床熔化技術(shù)示意圖【30】

對于金屬來說，激光粉床熔化成形（L-PBF: laser powder bed fusion，也稱為選區(qū)激光熔化成型SLM）主要利用高能量激光束逐層熔化預置的薄層金屬粉末，在凝固和冷卻后可形成高性能部件，是最有前景的增材制造技術(shù)之一。該項技術(shù)尤其適合于小批量、高精度、個性化、復雜結(jié)構(gòu)零件的成形加工，在航空航天、生物醫(yī)療、汽車、磨具等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。

Inconel 625 (IN625)是一種鎳基高溫合金，主要利用Ni-Cr基體中如鉬(Mo)和鈮(Nb)等元素的固溶強化作用來獲得高溫強度和抗蠕變性能，同時在不同環(huán)境中的耐蝕性和可焊性也較好。然而，IN625由于其高硬度、低導熱系數(shù)和高加工硬化率，被認為是難加工或難以用減材制造的合金，在機械加工的過程中，機加工刀具的磨損很快，并且這種材料在鑄造或鍛造時較難控制其性能。因此很有必要探索Inconel 625鎳基高溫合金的直接3D打印成型，從而大量減少傳統(tǒng)制造中所需的機加工，同時也可以極大的提高零件的設計自由度，增加內(nèi)部復雜冷卻流道等。


微觀組織

1總體特征&殘余應力
和大多數(shù)L-PBF成形合金類似，as-built態(tài)的IN625合金主要由胞狀枝晶和沿building方向伸長的柱狀晶組成，晶粒均勻細小，具有明顯的快速凝固特征。試樣主要由單一的奧氏體相構(gòu)成，由于激光工藝參數(shù)的影響，試樣內(nèi)存在夾雜、孔洞、裂紋、層間未熔合等缺陷，并且試樣內(nèi)高程度的殘余應力只能通過后期的高溫熱處理才能得到明顯消除。

圖2 “As-built”態(tài)IN625合金的宏觀形貌[55]

2各向異性
L-PBF成形Ni基合金大都具有明顯的各向異性，大部分晶粒沿著<100>方向生長，在熔池的邊界分布有大量的細小晶粒，織構(gòu)呈現(xiàn)典型的{100}<001>型立方織構(gòu)。成形件晶粒生長方向與掃描策略密切相關(guān)，當采用十字交叉掃描方式，晶粒最快生長方向<100>垂直于成形基板；當采用單向掃描時，晶粒的生長方向與成形方向成60度夾角，這種現(xiàn)象主要由于激光點光源運動時，熱流方向并不是完全與生長方向?qū)ΨQ引起的。

圖3 Ni基合金L-PBF態(tài)EBSD取向分布圖[64]

采用均勻光斑時，熔池底部獲得良好的外延生長，對流不足以破壞原有的生長特點，晶體依舊沿著最有利的<100>方向生長，并逐步向上延伸。經(jīng)過EBSD分析，對于高斯光斑區(qū)，外延區(qū)單晶很少，大約只有0.5mm，而在均勻光斑區(qū)，單晶外延在中部可以達到4mm的高度。

圖4 不同激光能量形式下成形件縱截面EBSD取向分布[64]

3析出相
XRD結(jié)果表明L-PBF成形的IN625合金由γ基體和脆性Laves相組成，合金凝固方程為L→L+γ→L+γ+NbC+Laves→γ+NbC+Laves，很容易形成Laves相和NbC相。由于冷卻時間短，碳化物來不及生長，數(shù)量遠少于Laves相。合金拉伸性能呈現(xiàn)出典型的各向異性特點，拉升強度沿著水平方向高于沿著豎直方向，層與層之間的邊界處在SLM沉積過程中的性能弱區(qū)，容易發(fā)生組織粗化，強度較低；同時容易產(chǎn)生裂紋，裂紋沿著層層邊界進行拓展，這是導致沿著豎直方向沉積LPBF-IN625試樣力學性能較差的主要原因。

圖5 L-PBF成形IN625的微觀晶粒拓撲結(jié)構(gòu)圖[55]

（a）Y-Z截面（b）X-Y截面（c）（100）（d）參考坐標系

成形缺陷

表1 L-PBF成形IN625合金零件主要缺陷及形成原因

力學性能

表2 不同文獻中L-PBF成形IN625零件的力學性能

目前，航空航天行業(yè)對于極端溫度和環(huán)境下部件的性能和效率要求不斷提高，激光粉床熔化已成為生產(chǎn)復雜高效IN625部件的極具吸引力的工藝。與L-PBF過程相關(guān)的變量有很多，如激光功率、掃描速度、掃描間距和層厚等，所有這些變量都需要進行適當?shù)目刂�，以成功且可靠地形成最終可用的部件，否則將導致球化、變形、氣孔、裂紋和低致密度等嚴重影響零件性能的缺陷。此外，“As-built”態(tài)的L-PBF成形的零件表面質(zhì)量和尺寸精度通常不足以滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求，因此常常需要表面加工、熱處理等后處理過程。

近日，《Applied Sciences》上發(fā)表的題為“A Review on Laser Powder Bed Fusion of Inconel 625 Nickel-Based Alloy” 的綜述文章，系統(tǒng)地總結(jié)了近年來有關(guān)L-PBF成形IN625合金的組織、力學性能、殘余應力演變及缺陷形成機理等方面的研究，從消除或緩解構(gòu)件中的殘余應力，提高成形質(zhì)量（改善表面粗糙度、致密度、微觀組織和力學性能）等角度出發(fā)，介紹了一些有效的解決方案，如調(diào)整激光參數(shù)、基體預熱、表面加工、添加增強相、進行后續(xù)熱處理等，為提高IN625鎳基合金L-PBF成形零件的綜合性能提供了有益借鑒。最后，文章還指出了L-PBF成形IN625合金零件研究中仍然存在的問題及今后的研究方向。

總結(jié)與展望
L-PBF作為一種重要的增材制造技術(shù)，為復雜零部件的生產(chǎn)提供了巨大的潛力。目前對L-PBF成形IN625合金的研究主要集中在通過改變工藝參數(shù)和隨后的熱處理來調(diào)節(jié)其組織和性能。由于LPBF工藝涉及冶金、物理、化學、熱耦合等復雜問題，工藝參數(shù)之間的匹配關(guān)系非常復雜，因此目前IN625的L-PBF工藝參數(shù)還不成熟。如試樣中經(jīng)常存在較大殘余應力而導致裂紋產(chǎn)生。層間也經(jīng)常出現(xiàn)孔洞、裂紋、夾雜等其它缺陷。

由于LPBF-IN625合金中存在織構(gòu)，試樣的性能各向異性經(jīng)常出現(xiàn)，但有時成形面之間的性能差異并不理想。此外，非平衡凝固導致基體金屬中合金元素的固溶極限顯著提高，使得L-PBF零件的性能不同于傳統(tǒng)的塊體材料。迄今為止，對IN625的L-PBF的研究主要集中在顯微硬度和拉伸性能方面，而對其它重要性能如高溫拉伸強度、耐腐蝕性和蠕變性能的研究較少。因此，今后的研究應著重于以下幾個方面：

（1） 對IN625合金鑄態(tài)和后處理后的宏觀缺陷和微觀組織進行表征，深入探討宏觀缺陷（氣孔、微裂紋、球化、未熔化區(qū)）的形成機制和微觀組織的演化機制（晶界、第二相、位錯、亞晶界、層錯等）。

（2） 研究LPBF-IN625合金的高溫和低溫性能（強度、疲勞、蠕變、腐蝕等）的各向異性和特性，闡明其形成原因，特別是“As-built”態(tài)和后處理狀態(tài)下宏觀各向異性和微觀各向異性對上述性能的影響。

（3） 建立預測LPBF-IN625合金組織演變和殘余應力分布的模型，即建立LPBF參數(shù)、組織、殘余應力和力學性能之間的關(guān)系。

Key words: Selective laser melting; Ni based alloy; Laser powder bed fusion; Inconel 625; Heat treatment; Mechanical properties

（選區(qū)激光熔化成形、鎳基合金、激光粉床熔化成形、金屬3D打印、金屬增材制造）

文章鏈接：A Review on Laser Powder Bed Fusion of Inconel 625 Nickel-Based Alloy (https://doi.org/10.3390/APP10010081)