綜述：鎳基高溫合金的粉末床熔融增材制造研究進(jìn)展（1）

導(dǎo)讀：本文旨在回顧兩種主要粉末床熔融（PBF）技術(shù)——激光粉末床熔合(LPBF)和電子束熔合(EBM)，在制備鎳基高溫合金的組織和力學(xué)性能方面的研究成果。介紹了PBF工藝生產(chǎn)的微觀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，隨后概述了最常用的打印工藝，以及打印件質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)。對(duì)PBF鎳基高溫合金的抗拉強(qiáng)度、硬度、剪切強(qiáng)度、抗疲勞性能、抗蠕變性能和斷裂韌性等力學(xué)性能進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。

本文中出現(xiàn)的專業(yè)名詞解釋

圖1所示。在PBF試件中突出各向異性時(shí)常用的構(gòu)建方向和主平面的布局。注意這個(gè)原始方向通常被認(rèn)為與機(jī)器的坐標(biāo)系統(tǒng)對(duì)齊

1.摘要

在過(guò)去的二十年里，增材制造中與鎳基合金材料相關(guān)的出版物數(shù)量急劇增加(見(jiàn)圖2)。

圖2所示。關(guān)于鎳基高溫合金增材制造的出版物數(shù)量(來(lái)自Scopus數(shù)據(jù)庫(kù))，包括主要里程碑[2-8]。這表明與增材制造中鎳基材料相關(guān)的出版物有所增加。

關(guān)于金屬的增材制造，特別是粉末層融合(PBF)，前人已經(jīng)做了很多的研究。迄今為止的文獻(xiàn)綜述提供了金屬增材制造技術(shù)的總體概述，重點(diǎn)是加工方法、相應(yīng)的微觀組織、力學(xué)性能及其在各種材料中的應(yīng)用[3,9-12]。Murr 等人比較了兩種主要的金屬PBF技術(shù)，即激光粉末床融合(LPBF)和電子束熔化(EBM)，以及它們對(duì)常用結(jié)構(gòu)材料[13]的加工，Korner等人則回顧了EBM技術(shù)和金屬材料[14]的工藝性能環(huán)節(jié)。Song等人回顧了LPBF制造的組件與常規(guī)制造的[15]組件在微觀組織和力學(xué)性能方面的差異。Sames等人回顧了一系列金屬增材制造技術(shù)，重點(diǎn)關(guān)注它們的問(wèn)題和機(jī)制，以及創(chuàng)建模型來(lái)模擬它們[16]。Basak和Das綜述了常用金屬合金在不同金屬增材制造技術(shù)處理下的組織演變。在文獻(xiàn)中，有關(guān)于LPBF制造部件一般力學(xué)性能的綜述文獻(xiàn)[18-20]。這些研究主要集中在增材制備Ti-6Al-4V組分[21,22]和鎳基高溫合金[23,24]的組織和力學(xué)性能。

Wang等人綜述了LPBF制備的Inconel (IN) 718組件，主要關(guān)注其組織和力學(xué)性能[25]。這可能是與本文所進(jìn)行的綜述最相似的工作，而本文僅代表了現(xiàn)有文獻(xiàn)中最先進(jìn)技術(shù)的一小部分。Aboulkhair等人對(duì)鋁合金[26]進(jìn)行了全面的綜述。Zhang等綜述了LPBF鈦合金及鈦基復(fù)合材料在生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用。值得一提的是，也有關(guān)于新穎設(shè)計(jì)[28]和材料系統(tǒng)[29]應(yīng)用于增材制造的綜述論文。然而，目前對(duì)PBF鎳基高溫合金力學(xué)性能的研究還沒(méi)有一個(gè)全面的綜述，這方面的綜述能夠?yàn)樵擃I(lǐng)域的學(xué)者提供了一個(gè)權(quán)威和全面的資源。因此，本文的目的是對(duì)PBF鎳基高溫合金的力學(xué)性能進(jìn)行全面的綜述。這將為研究人員更好地了解PBF的最新技術(shù)和工藝參數(shù)對(duì)力學(xué)性能的影響提供依據(jù)。在本綜述的最后，將給出針對(duì)不同力學(xué)性能所進(jìn)行的研究的摘要，以幫助實(shí)踐者確定已經(jīng)進(jìn)行了哪些類別的材料評(píng)估，并確定研究中的差距。

最后討論了PBF在鎳基高溫合金加工中的機(jī)遇和不足。由于我們對(duì)基本冶金和工藝本身的理解發(fā)展迅速，因此有必要讓業(yè)內(nèi)有一個(gè)可供借鑒的參考點(diǎn)。

1.1 粉末床熔融技術(shù)

本文重點(diǎn)介紹了PBF技術(shù)的兩種基本原理:LPBF和EBM。PBF是金屬零件加工中最常用的增材制造技術(shù)之一。該工藝由兩個(gè)階段組成:首先，粉末均勻地分布在工作區(qū)域，然后是能源(LPBF的激光和EBM的電子束)根據(jù)三維模型選擇性熔化粉末床，從而建立最終組件[30]。這些制造方法的兩個(gè)主要區(qū)別是它們的電源和電力傳輸系統(tǒng)。圖3[9]展示了典型的LPBF和EBM系統(tǒng)的兩幅圖。

圖3所示。兩種主要粉末床熔合工藝示意圖：(a)激光粉末床聚變。(b)電子束熔化系統(tǒng)。兩個(gè)主要的區(qū)別(電源和電力傳輸系統(tǒng))是可見(jiàn)的。[9]

其他研究人員已經(jīng)對(duì)兩種方法和過(guò)程的細(xì)微差別進(jìn)行了適當(dāng)?shù)膶彶�，�?總結(jié)了兩種系統(tǒng)之間的相關(guān)差異[9,16,30]。這種方法可以用于處理各種材料，從金屬到陶瓷，為許多應(yīng)用，如航空航天，生物醫(yī)學(xué)和汽車。對(duì)于所有類型增材制造平臺(tái)可用材料的廣泛回顧，讀者可以參考Bourell等人對(duì)[31]主題的回顧。

表1激光粉末床熔煉與電子束熔煉的主要區(qū)別。這提供了對(duì)過(guò)程特征的洞察[9,16,30]。

1.2. 鎳基高溫合金及其在增材制造中的作用

本節(jié)將重點(diǎn)介紹鎳基高溫合金的特點(diǎn)、它們適用于PBF的原因以及它們的應(yīng)用實(shí)例，尤其是在航空航天領(lǐng)域。

1.2.1. 鎳基高溫合金的特性

鎳基高溫合金是現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料家族的一種[34,35]，具有高溫強(qiáng)度、韌性、蠕變和抗氧化/腐蝕的綜合性能。由于這些原因，這類合金被廣泛應(yīng)用于在臨界環(huán)境下工作的部件中。第一代鎳基高溫合金是為噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，包括20世紀(jì)40年代由英國(guó)HenryWiggin公司開(kāi)發(fā)的Nimonic 75[34]。從那時(shí)起，鎳基高溫合金不斷被生產(chǎn)、研究并用于制造渦輪葉片、渦輪盤(pán)、密封件、環(huán)和燃?xì)廨啓C(jī)的其他部件。

如今，一個(gè)典型的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中含有將近1.8噸鎳基高溫合金。這些材料對(duì)將噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的連續(xù)工作壽命提高到20,000 h[37]以上有很大的貢獻(xiàn)。雖然涂層技術(shù)(如氧化鋯基熱障涂層，TBCs)也有助于提高高溫性能，但基底鎳基高溫合金的作用再怎么強(qiáng)調(diào)也不為過(guò)。圖4顯示了可焊性以及鎳基高溫合金在制造中的應(yīng)用。這是一個(gè)有用的指標(biāo)，如何挑戰(zhàn)高完整性增材制造將是給定的材料。實(shí)際上，流程窗口在破碎的紅線以上大大減少了。

圖4所示。一系列鎳基高溫合金的“可焊性”圖，其Ti和Al合金元素組成的函數(shù)。圖來(lái)自Catchpole- Smith等人[38]。虛線以上的可焊性較差，隨著Ti和Al含量的增加而惡化。這項(xiàng)工作將為今后合金成分的研究提供參考。

鎳基高溫合金應(yīng)用于許多領(lǐng)域，如陸基燃?xì)廨啓C(jī)、核電站和化學(xué)容器。表2報(bào)告了鎳基高溫合金的一些常見(jiàn)應(yīng)用。

表2鎳基高溫合金[39]的常用用途。這表明了增材制造的鎳基高溫合金可以應(yīng)用的眾多領(lǐng)域。

圖5總結(jié)了PBF研究中鎳基高溫合金的類型。從這一數(shù)據(jù)可以清楚地看出，IN718和IN625是PBF研究中探索最多的。它們的組成見(jiàn)附錄中的表8。

圖5所示。餅圖顯示了迄今為止在粉末層聚變研究中研究的鎳基高溫合金，來(lái)自290項(xiàng)研究。鉻鎳鐵合金718和鉻鎳鐵合金625是研究最多的合金，因?yàn)樗鼈兊氖褂盟�平主要是在航空航天市�?chǎng)，航空航天有直接的機(jī)會(huì)。

1.2.2. 航空航天工業(yè)用鎳基高溫合金和PBF

航空航天工業(yè)代表了增材制造機(jī)器生產(chǎn)商的一個(gè)重要發(fā)展方向，因?yàn)榇罅康牟考�具有很高的價(jià)值，并使用高價(jià)值的材料[40]生產(chǎn)。事實(shí)上，鎳基航空部件的特點(diǎn)是幾何形狀復(fù)雜，產(chǎn)量低。此外，考慮到鎳基高溫合金優(yōu)異的機(jī)械性能，以及設(shè)計(jì)用于安全關(guān)鍵應(yīng)用的特性，這些零件用傳統(tǒng)加工技術(shù)加工是困難和昂貴的[41-44]。因此，必須特別注意工裝、冷卻劑和加工參數(shù)的選擇，以免導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加[40]。相反，PBF制造復(fù)雜幾何形狀的能力允許在組件中加入新的和額外的功能。因此，該領(lǐng)域是展示PBF與鎳基高溫合金結(jié)合的潛力的合適方法。

Yadroitsev等人的工作證明了LPBF生產(chǎn)由IN625[45]自由結(jié)構(gòu)構(gòu)成的復(fù)雜濾波器的能力。各個(gè)單元，甚至是單個(gè)單元的參數(shù)，都可以在建模階段輕松修改，并針對(duì)特征在1毫米以下的具體應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。(圖6)。這表明增材制造技術(shù)具有直接修改部件的能力，而傳統(tǒng)加工方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

圖6所示。鉻鎳鐵合金625過(guò)濾器，具有特定的孔定向和截面積。這些樣品是通過(guò)粉末床融合制造的，展示了粉末床融合制造高度優(yōu)化的幾何形狀的能力，特征小于1毫米。這是激光粉末床融合技術(shù)[45]的一個(gè)典型應(yīng)用。

Bernstein等人進(jìn)一步證明了這一進(jìn)展，他們開(kāi)發(fā)并制造了一種渦輪葉片原型，其特征是前緣帶有通過(guò)LPBF獲得的內(nèi)置冷卻通道(圖7)[42]。測(cè)量的平均冷卻孔尺寸(0.3945 mm)略小于公稱尺寸(0.5 mm)，這凸顯了LPBF中仍需克服的公差挑戰(zhàn)。這些井眼直徑的標(biāo)準(zhǔn)偏差很小(0.0206 mm)，表明LPBF有潛力作為一種精確有效的技術(shù)來(lái)產(chǎn)生這些特征部件。不過(guò)，盡管該方法取得了一些很好的結(jié)果，但仍不能與常用的冷卻孔直接加工方法，如激光加工或電火花加工(EDM)的特征分辨率相比。事實(shí)上，Li等人已經(jīng)證明，通過(guò)使用激光或電火花打孔工藝，可以獲得直徑<150 μm的孔。然而，民用飛機(jī)的常見(jiàn)工業(yè)工藝要求冷卻孔直徑在300-500μm[46]范圍內(nèi)。這是影響渦輪葉片和導(dǎo)流噴嘴熱力學(xué)性能的一個(gè)基本技術(shù)限制。然而，增材制造對(duì)航空航天應(yīng)用的研究重點(diǎn)迄今為止一直集中在靜態(tài)組件上。這背后的原因隨著增材制造材料表現(xiàn)出的力學(xué)性能的探索變得明顯，這一主題將在本綜述的后面更詳細(xì)地探討。

圖7所示。前緣新型冷卻通道的例子。(a)整體架構(gòu)。(b)冷卻通道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的CAD模型[42]。平均測(cè)量的冷卻孔尺寸(0.39 mm)略小于公稱尺寸(0.5 mm)，這凸顯了激光粉末床熔融仍需克服的公差挑戰(zhàn)。

由于LPBF在實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)方面顯示出了良好的初步效果，越來(lái)越多的公司表示有意投資這項(xiàng)技術(shù)。Gisario等人綜述了金屬增材制造在商用航空工業(yè)中的應(yīng)用，Yong等人綜述了增材制造 IN718在高溫應(yīng)用中的材料特性。例如，NASA測(cè)試了一些LPBF制造的火箭噴射器，證明這些部件能夠承受太空火箭發(fā)射過(guò)程中產(chǎn)生的熱量和壓力。MTU航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司還宣布，他們的PurePower PW1100G-JM發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)窺鏡凸臺(tái)現(xiàn)在將使用LPBF[50]生產(chǎn)。此外，荷蘭航空航天中心與特溫特大學(xué)共同開(kāi)發(fā)了一種用于空間應(yīng)用的新型微型泵組件，由無(wú)運(yùn)動(dòng)部件組成，如液壓閥[51]。由于其復(fù)雜的內(nèi)部特性是其他方法無(wú)法獲得的，因此只能使用LPBF制造這種微泵。GE航空在將增材制造引入航空航天行業(yè)中發(fā)揮了重要作用，特別是通過(guò)收購(gòu)SLMSolutions和Arc增材制造，這兩家主要的增材制造公司分別專注于LPBF和EBM。為了證明這一原理，通用航空公司制造了一個(gè)完全使用LPBF[52]的微型噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。盡管這款原型機(jī)的規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于商用發(fā)動(dòng)機(jī)，但在功能測(cè)試中它的轉(zhuǎn)速達(dá)到了3.3萬(wàn)轉(zhuǎn)，標(biāo)志著LPBF在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中更廣泛地使用邁出了重要的一步。他們還創(chuàng)造了一個(gè)只使用LPBF的傳感器外殼，這使它成為第一個(gè)3D打印部件被批準(zhǔn)使用的FAA [53]。其他演示材料，如渦輪葉片，使用EBM IN738LC打印出來(lái)，并組裝在一個(gè)圓盤(pán)上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)坑測(cè)試，以驗(yàn)證[54]葉片的機(jī)械完整性和設(shè)計(jì)。

綜上所述，增材制造是一種很有前途的鎳基元件制造技術(shù)。然而，目前阻礙PBF更大規(guī)模開(kāi)發(fā)的知識(shí)差距仍然很大。如果不能充分了解增材制造鎳基高溫合金的微觀結(jié)構(gòu)和功能響應(yīng)，將嚴(yán)重限制該技術(shù)/材料組合的應(yīng)用。因此，我們必須對(duì)材料和工藝缺陷的起源有一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)。