德國埃爾朗根-紐倫堡大學大學：SEBM制備CMSX-4單晶高溫合金中拓撲密排相的形成

供稿人:徐文梁 魯中良 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

鎳基單晶高溫合金在高溫條件下具有優(yōu)越力學性能和抗氧化腐蝕性能，常用于制造航空發(fā)動機的渦輪葉片。合金材料需要在高溫下長期服役，其組織穩(wěn)定性是相關(guān)研究領(lǐng)域的重點。在高溫環(huán)境下，合金的相穩(wěn)定性會降低，并可能形成有害相，如拓撲密排相（TCP相），嚴重損害葉片的使用壽命。

在鎳基單晶高溫合金零件的傳統(tǒng)定向凝固鑄造成形過程中，由于凝固過程緩慢，存在強烈的枝晶偏析，形成的一次枝晶臂間距（PDAS）通常約200~400 μm，且鎢、錸等元素常常嚴重偏析于枝晶干。同時，通過后續(xù)的熱處理，依然很難使得鑄件內(nèi)合金成分均勻。當采用新型的選區(qū)電子束熔化（SEBM）成形鎳基高溫合金時，可將PDAS大幅減少至15 μm左右，且通過熱處理后，可完全消除枝晶偏析。由于TCP相的形成顯著依賴于局部合金成分，因此，通過傳統(tǒng)鑄造和SEBM制備的材料中TCP相形成的傾向性預(yù)計會有很大差異。

德國埃爾朗根-紐倫堡大學大學的研究人員利用SEBM工藝制備了單晶高溫合金（CMSX-4）試樣，并與鑄造獲得的試樣進行了對比，研究了微觀組織對TCP相形成的影響。實驗結(jié)果表明：SEBM工藝的元素偏析程度較鑄造顯著降低，經(jīng)過熱處理后，強偏析元素錸在組織中分布的非常均勻，如圖1所示。同時，對不同狀態(tài)的組織進行高溫下組織穩(wěn)定性實驗研究發(fā)現(xiàn)，SEBM態(tài)、SEBM后熱處理態(tài)、鑄態(tài)，這三種不同組織狀態(tài)的試樣表現(xiàn)出不同的TCP相析出特點。在870℃保溫120小時后，SEBM態(tài)組織中未發(fā)現(xiàn)新生TCP相；而在SEBM后熱處理態(tài)和鑄態(tài)組織中均發(fā)現(xiàn)少量。在2050℃保溫120小時后，三種組織中均出現(xiàn)了TCP相，但鑄態(tài)組織中僅出現(xiàn)在枝晶干區(qū)域，而其他兩種組織中該相分布相對較均勻，如圖2所示。該研究指出，錸元素的強烈偏析特性造成鑄態(tài)組織中枝晶干富集錸，且達到了TCP相形成的成分要求，而在SEBM制備的試樣中，合金成分較為均勻，因此TCP相并不會出現(xiàn)僅在特定區(qū)域析出的現(xiàn)象。

圖1 SEBM工藝和經(jīng)熱處理后錸元素分布（電子探針）以及溶質(zhì)分配與固相分數(shù)的關(guān)系

圖2 不同實驗條件下SEBM（左）、SEBM后熱處理態(tài)（中）、鑄態(tài)（右）的微觀組織

參考文獻：
J. Pistor, C. Körner. Formation of topologically closed packed phases within CMSX-4 single crystals produced by additive manufacturing[J]. Materials Letters X, 2019, 1: 100003.