西工大頂刊：增材制造鎳基高溫合金的裂紋形成機(jī)理！

來(lái)源：材料科學(xué)與工程

金屬增材制造技術(shù)(AM)以其無(wú)與倫比的設(shè)計(jì)自由度、超高的材料利用率和通過(guò)逐點(diǎn)逐層掃描策略帶來(lái)的巨大的制造靈活性而受到廣泛關(guān)注。盡管該技術(shù)在生產(chǎn)具有復(fù)雜幾何形狀/定制結(jié)構(gòu)和優(yōu)異綜合性能的零部件中表現(xiàn)出巨大的潛力，但裂紋等缺陷是增材制造技術(shù)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，制約了增材制造技術(shù)的進(jìn)一步廣泛應(yīng)用。研究表明，眾多高性能高溫合金，如CM247LC、IN939、IN738和Hastelloy X等由于嚴(yán)重的周期性裂紋而無(wú)法實(shí)現(xiàn)可靠的打印。因此，了解裂紋的形成機(jī)理及影響開(kāi)裂敏感性因素是實(shí)現(xiàn)裂紋缺陷有效抑制的根本和關(guān)鍵。

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近日，西北工業(yè)大學(xué)王錦程教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)定向能量沉積(DED) Hastelloy X，基于微觀組織分析、熱力學(xué)計(jì)算結(jié)合熱-力耦合模擬等研究方法，揭示了其裂紋形成機(jī)理，全面了解了不同冶金因素對(duì)裂紋敏感性的影響規(guī)律。相關(guān)研究成果以題“Cracking mechanism of Hastelloy Xsuperalloy during directed energy deposition additive manufacturing”發(fā)表在增材制造頂刊Additive Manufacturing上。論文第一作者為博士研究生郭博靜，王錦程教授與何峰教授為共同通訊作者，西北工業(yè)大學(xué)為通訊單位。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102792

作為一種典型的固溶強(qiáng)化型鎳基高溫合金，Hastelloy X因其優(yōu)良的抗氧化、耐腐蝕性和高溫強(qiáng)度而被廣泛應(yīng)用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)等零部件，如燃燒室殼體和燃油噴嘴。由于燃油噴嘴等幾何形狀極其復(fù)雜，采用增材制造技術(shù)制備Hastelloy X合金構(gòu)件展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，因而引起了工程和科學(xué)領(lǐng)域的關(guān)注。不幸的是，Hastelloy X合金在增材制造過(guò)程中極易開(kāi)裂。長(zhǎng)期以來(lái)，關(guān)于增材制造Hastelloy X合金的裂紋形成機(jī)理一直存在爭(zhēng)議，其開(kāi)裂敏感性影響因素也尚不清晰。

本研究發(fā)現(xiàn)DED-Hastelloy X合金中的裂紋為凝固裂紋，其產(chǎn)生主要C、Mo元素顯微偏析 (促進(jìn)低熔點(diǎn)液態(tài)膜產(chǎn)生)、晶界特征(晶界能和晶界密度)以及高的熱應(yīng)力/應(yīng)變水平相關(guān)。當(dāng)增材制造工藝條件(能量密度)改變時(shí)，凝固末期的塑性應(yīng)變率是影響開(kāi)裂敏感性的關(guān)鍵因素之一。首次發(fā)現(xiàn)了S-HAGB(易裂大角度晶界)占比是影響裂紋敏感性的重要因素，DED-Hastelloy X合金臨界開(kāi)裂晶界取向差角為θ*>18o，超過(guò)75%的裂紋優(yōu)先發(fā)生在晶界取向差角為25o-45o的范圍內(nèi)(定義為S-HAGB)，進(jìn)一步證實(shí)了高的晶界能對(duì)開(kāi)裂敏感性的重要影響。此外，晶界密度可通過(guò)調(diào)節(jié)熱應(yīng)變/應(yīng)力水平和易裂大角度晶界占比來(lái)影響開(kāi)裂敏感性。

摘要圖：定向能量沉積增材制造Hastelloy X合金中產(chǎn)生了沿大角度晶界和以液態(tài)薄膜為主要特征凝固裂紋。當(dāng)增材制造熱輸入(線能量密度)改變時(shí)，凝固末期塑性應(yīng)變率水平以及易裂大角度晶界(S-HAGB)占比是影響凝固開(kāi)裂敏感性的關(guān)鍵因素。通過(guò)降低塑性應(yīng)變率并同時(shí)控制易裂大角度晶界占比可有效地解決增材制造過(guò)程中開(kāi)裂的瓶頸問(wèn)題。優(yōu)化合金成分調(diào)整偏析也是實(shí)現(xiàn)無(wú)裂紋零件制備的一條有前途的方法。上述研究成果可用于指導(dǎo)增材制造過(guò)程中無(wú)裂紋金屬及合金的制備。