金屬增材制造《Acta》：增材制造鎳基超合金難焊接和晶界開(kāi)裂機(jī)理！

來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：熱裂是γ’-(Ni,Ti)3Al析出強(qiáng)化型鎳基超合金的粉床熔融增材制造（PBF-AM）中的主要難題。盡管影響熱裂的液化機(jī)理已得到深入研究，但由于高維工藝參數(shù)空間和掃描策略帶來(lái)的復(fù)雜性，對(duì)觸發(fā)熱裂的機(jī)械效應(yīng)一直以來(lái)缺乏深入認(rèn)識(shí)。此外，如何將基于(Al+0.8Ti)含量的難焊接性準(zhǔn)則與熱裂機(jī)理相結(jié)合，也是有待解決的重要課題。本研究通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化粉床電子束熔融增材制造（PBF-EB）的高維參數(shù)空間以確定工藝窗口，發(fā)現(xiàn)工藝窗口內(nèi)的細(xì)晶樣品也有開(kāi)裂的情況，而粗晶樣品也有不開(kāi)裂的情況，并通過(guò)熱-機(jī)械場(chǎng)耦合模擬揭示了觸發(fā)熱裂的關(guān)鍵因素——機(jī)械效應(yīng)。本研究通過(guò)機(jī)械效應(yīng)與成分效應(yīng)的結(jié)合，對(duì)熱裂機(jī)理與導(dǎo)致難焊接性的根本原因進(jìn)行了新的探究。

能夠在接近熔點(diǎn)的高溫環(huán)境下服役的γ’-(Ni,Ti)3Al析出強(qiáng)化型鎳基超合金，因其推動(dòng)了先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展,被譽(yù)為是材料科學(xué)領(lǐng)域的重大突破之一。近年來(lái)，由于制造具有如內(nèi)部水冷通道的復(fù)雜近凈成形高溫部件的需要，使用粉床熔融增材制造技術(shù)（PBF-AM）生產(chǎn)γ’-(Ni,Ti)3Al析出強(qiáng)化型鎳基超合金的研究受到了航空工業(yè)界的密切關(guān)注。但由于具有高γ’-(Ni,Ti)3Al體積分?jǐn)?shù)的析出強(qiáng)化型超合金具有較大的熱裂傾向，使用PBF-AM生產(chǎn)難焊接性超合金制造對(duì)安全性有著嚴(yán)苛要求的高溫部件，這是一項(xiàng)具有實(shí)用潛力的難題。

目前，盡管對(duì)使用粉床電子束熔融增材制造（PBF-EB）和粉床激光熔融增材制造（PBF-L）制造難焊接性鎳基超合金已得到廣泛研究，但關(guān)于其熱裂機(jī)理仍存在爭(zhēng)議。近年來(lái)的原子尺度表征研究認(rèn)為：由位于大角度晶界的納米尺度偏析引起的液化效應(yīng)是導(dǎo)致PBF-EB制造的難焊接性鎳基超合金熱裂的根本原因。然而，除了這一成分效應(yīng)以外，對(duì)在熱裂機(jī)理中不可或缺的機(jī)械效應(yīng)一直以來(lái)缺乏深入認(rèn)識(shí)。此外，研究表明提高(Al+0.8Ti)含量?jī)A向于增強(qiáng)難焊接性。盡管該難焊接性準(zhǔn)則已被廣泛認(rèn)知，但現(xiàn)有的熱裂機(jī)理并不能很好地解釋這一難焊接性準(zhǔn)則。

日本東北大學(xué)金屬材料研究所的千葉晶彥教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)將液化效應(yīng)與機(jī)械效應(yīng)相結(jié)合來(lái)完善熱裂機(jī)理，揭示了導(dǎo)致難焊接性的根本原因。千葉教授等作者開(kāi)發(fā)了一種利用機(jī)器學(xué)習(xí)高效優(yōu)化PBF-EB的高維參數(shù)空間的方法，并使用該方法在五維寬范圍參數(shù)空間中確定了能夠制造難焊接性713ELC合金的良好樣品的工藝窗口。通過(guò)考慮機(jī)械效應(yīng)在熱裂機(jī)理中的關(guān)鍵作用，并以此為指導(dǎo)思想，在機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化方法的輔助下控制工藝參數(shù)，本研究在不調(diào)整合金成分的情況下制造出了沿造形方向和掃描方向均表現(xiàn)出遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)鑄造材料的機(jī)械性能的PBF-EB樣品。

以上研究成果以Critical factor triggering grain boundary cracking in non-weldable superalloy Alloy713ELC fabricated with selective electron beam melting為題發(fā)表在Acta Materialia上。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116695

為了揭示PBF-EB過(guò)程中影響熱裂的機(jī)械效應(yīng)的機(jī)理，本研究首先利用一項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)制造了具有細(xì)小等軸晶的無(wú)裂紋樣品，經(jīng)測(cè)量得到了難焊接性超合金713ELC的各向同性高溫機(jī)械性能參數(shù)，并通過(guò)基于可靠性能參數(shù)的熱-機(jī)械場(chǎng)耦合模擬研究了單軌熔化過(guò)程中的熱-機(jī)械場(chǎng)演變。為了突破高維參數(shù)空間和掃描策略帶來(lái)的復(fù)雜性限制，以進(jìn)一步揭示單層熔化過(guò)程中的熱-機(jī)械場(chǎng)演變，作者開(kāi)發(fā)了一個(gè)以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬與單軌熔化實(shí)驗(yàn)為輔助的解析瞬態(tài)模型代碼，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)值模擬難以勝任的解析，即模擬實(shí)驗(yàn)條件下整個(gè)單層熔化過(guò)程中的熱場(chǎng)演變。基于上述不同模擬的結(jié)合，提出了一個(gè)準(zhǔn)全塑性應(yīng)變指數(shù)（QTPSI）的概念，以此化繁為簡(jiǎn)地揭示了PBF-EB過(guò)程中的機(jī)械效應(yīng)。通過(guò)基于QTPSI概念的一系列推理，深入研究了受PBF-EB高維參數(shù)空間所支配的機(jī)械效應(yīng)，并揭示了機(jī)械效應(yīng)在熱裂機(jī)理中的關(guān)鍵作用。

圖1 （a）廣泛參數(shù)空間的SVM預(yù)測(cè)過(guò)程圖。（b）在A區(qū)和B區(qū)的第二步優(yōu)化中獲得的測(cè)試樣品的平坦且呈網(wǎng)狀（良好）的頂表面。（c）良好的頂面，在A區(qū)中沒(méi)有T-2-3樣品的可見(jiàn)缺陷。（d）在B區(qū)中樣品T2-11可見(jiàn)缺陷的頂表面。（e）帶有細(xì)裂紋的樣品T2-3的垂直截面，（f）帶有寬裂紋和頂層缺陷的T2-11樣品的垂直截面，其對(duì)應(yīng)于頂面上的可見(jiàn)缺陷。

此外，通過(guò)基于可靠的各向同性高溫機(jī)械性能參數(shù)的熱-機(jī)械場(chǎng)耦合模擬，作者從機(jī)械效應(yīng)方面比較了難焊接性超合金713ELC和易焊接性超合金718中的熱裂傾向。同時(shí)，將以往文獻(xiàn)中較少被關(guān)注的時(shí)效應(yīng)變裂化機(jī)理與熱沖擊抗性的概念引入到本研究中，進(jìn)行了關(guān)于機(jī)械效應(yīng)的探究，深入分析了材料因素與工藝因素對(duì)713ELC超合金的 PBF-EB過(guò)程中的熱裂傾向的影響。

圖2 （a）A區(qū)的SVM預(yù)測(cè)過(guò)程圖。（b）樣品的良好頂表面施加了局部最佳條件P1和接近最佳條件P2〜4，（c）樣品的最佳頂表面施加了接近最佳條件Ls1〜8的低應(yīng)力。

作者利用工藝窗口中的條件制造了許多具有不同凝固組織，且經(jīng)歷了不同的熱-機(jī)械效應(yīng)的影響的優(yōu)化樣品。通過(guò)分析比較大量的樣本，對(duì)熱裂問(wèn)題得出了較以往更加可靠的結(jié)論，總結(jié)出了在工藝窗口中觸發(fā)713ELC合金熱裂的關(guān)鍵因素。盡管細(xì)化晶粒被認(rèn)為是抑制熱裂的有效途徑之一，且以往研究表明，細(xì)晶樣品傾向于具有更小的液化效應(yīng)。本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，工藝窗口內(nèi)的細(xì)晶樣品也有開(kāi)裂的情況，而粗晶樣品也有不開(kāi)裂的情況。

圖4 （a）在上表面以下2 mm處捕獲的樣品P1〜4的EBSD晶粒圖。

圖5 裂紋樣品P1和無(wú)裂紋樣品P2〜4沿其（a）構(gòu)造方向和（b）掃描方向的室溫拉伸曲線。

圖6 半對(duì)稱(chēng)板上電子束單道熔化的熱力學(xué)分析：（ad）在熔化后將板冷卻到接近預(yù)熱溫度時(shí)得出。（a）去除熔融區(qū)后的板中等效塑性應(yīng)變的3D圖。（b）在（a）中紅色虛線框指示的XZ截面上繪制等效塑性應(yīng)變。（c）3D視圖，指示在移除熔體區(qū)域的情況下板中最大主殘余拉伸應(yīng)力的方向。（d）在（a）中紅色虛線框表示的XZ截面上繪制最大主殘余應(yīng)力。

圖7 通過(guò)準(zhǔn)總塑性應(yīng)變指數(shù)（QTPSI）評(píng)估單層熔融過(guò)程中累積的總塑性應(yīng)變水平的示意圖：（a）單軌熔融誘導(dǎo)的EPSI_B，（b）在QTPSI假設(shè)下的情況，（c）實(shí)際情況中有大量熱量積聚。

圖8 （a）合金713ELC和718隨溫度變化的各向同性有效彈性模量（E）和有效熱膨脹系數(shù)（α）的測(cè)量值。（b）繪制五個(gè)指數(shù)的雷達(dá)圖，這些指數(shù)反映了在單道熔化條件P1下E和α對(duì)Alloy713ELC和Alloy718的非焊接性的影響。括號(hào)中給出了每個(gè)軸的最小和最大比例（最小，最大）。

圖9 雷達(dá)圖繪制了六個(gè)指標(biāo)，這些指標(biāo)反映了將預(yù)熱溫度從1000°C降低到900°C對(duì)裂解傾向的影響。括號(hào)中給出了每個(gè)軸的最小和最大比例（最小，最大）。

綜上所述，本研究通過(guò)成分效應(yīng)與機(jī)械效應(yīng)的結(jié)合，完善了γ’-(Ni,Ti)3Al析出強(qiáng)化型難焊接性鎳基超合金在粉床電子束熔融增材制造（BPF-EB）中的熱裂機(jī)理，為今后利用粉床熔融增材制造技術(shù)（BPF-AM）制造對(duì)安全性有著嚴(yán)苛要求的部件的材料設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)思想。