綜述：鎳基高溫合金的粉末床熔融增材制造研究進(jìn)展（4）

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

4.機(jī)械性能

在增材制造（AM）組件可以安全地用于靜態(tài)以外的應(yīng)用之前，機(jī)械性能的表征是必不可少的。Lewandowski等人撰寫了一篇關(guān)于金屬AM零件機(jī)械性能的綜述。圖46顯示了迄今為止研究的PBF鎳基高溫合金的力學(xué)性能�，F(xiàn)階段的研究主要集中在拉伸性能和硬度性能上，對(duì)剪切性能、韌性性能、疲勞性能和蠕變性能的研究較少。表7列出了對(duì)不同力學(xué)性能的研究。它還列出了通常用于測(cè)試機(jī)械性能的通用標(biāo)準(zhǔn)。然而，應(yīng)該注意的是，它是常見的研究人員使標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)AM部件測(cè)試的特定需求。分析了粉末床激光熔融（LPBF）制備鎳基高溫合金力學(xué)性能的控制因素。

圖46�？偨Y(jié)了粉末床熔合鎳基高溫合金研究中的力學(xué)性能的餅圖，跨越290篇論文。幾乎一半的研究研究了拉伸性能，而三分之一的研究硬度性能。其他性質(zhì)，特別是剪切和韌性，一直是有限的研究對(duì)象。

4.1.拉伸性能

拉伸試驗(yàn)是一種比較常用的力學(xué)試驗(yàn)，它可以測(cè)定材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度、極限拉應(yīng)力、延性以及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。這些通常以單軸形式進(jìn)行，因此，不太類似于真實(shí)的加載情況。根據(jù)表7所列標(biāo)準(zhǔn)，在室溫下可以很容易地進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。由于鎳基高溫合金是在高溫下使用的，其高溫拉伸性能也需要根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)仔細(xì)考慮。例如，一些研究測(cè)試了IN718在650℃ [67258,277,296]， IN738LC在850℃ [249,251,267]， Hastelloy在750℃ [255,284]， IN625在815℃[333]和IN625在538℃[292]和760℃[263,269]。一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，高溫拉伸試驗(yàn)導(dǎo)致晶間開裂[331]。

表7機(jī)械測(cè)試中使用的標(biāo)準(zhǔn)和研究這些不同機(jī)械性能的參考文獻(xiàn)的總結(jié)。

一些最常用的拉伸試驗(yàn)試樣幾何形狀由ASTM標(biāo)準(zhǔn)(圖47a-c)和ISO和EN標(biāo)準(zhǔn)(圖47d)定義。具體國(guó)家也有自己的標(biāo)準(zhǔn)，參考ASTM和ISO標(biāo)準(zhǔn)制定。使用標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試程序可以獲得AM試樣的拉伸性能，并在不同的作者之間進(jìn)行比較。Gonzalez等人比較了LPBF、EBM和粘結(jié)劑噴射制備的試樣的拉伸性能[100]。結(jié)果表明，所有AM方法的力學(xué)性能均超過ASTMF3056-14標(biāo)準(zhǔn)要求，且LPBF試樣的性能和各向同性均略優(yōu)于其他兩種方法。

圖47。常用的拉伸測(cè)試幾何形狀由不同的標(biāo)準(zhǔn)定義。(a)、(b)、(c) ASTM標(biāo)準(zhǔn)。(d) ISO / EN標(biāo)準(zhǔn)。使用這些幾何圖形和遵循標(biāo)準(zhǔn)可以比較不同作者的結(jié)果。

4.1.1.粉末成分、質(zhì)量和厚度對(duì)拉伸性能的影響

粉末質(zhì)量在PBF工藝中也起著重要作用。Sames等人比較了氣體霧化、旋轉(zhuǎn)霧化和等離子旋轉(zhuǎn)電極工藝(PREP)粉末制備的試樣的拉伸性能[118]。前兩種粉末中含有殘留氣體，導(dǎo)致試樣中的孔隙率增加，而PREP粉末的相對(duì)密度更高，因此，抗拉強(qiáng)度更高。Nguyen等人比較原始和再生粉末的使用對(duì)最終性能的影響[115]。再生粉的平均粒徑略大，霍爾流量較低，填充密度較低。這是由于粒子在建造過程中傾向于粘在一起并變形。盡管在粉末質(zhì)量方面差異，它們對(duì)力學(xué)性能的影響不顯著。然而，Gasper等人證明了哈氏合金X粉末在粉末床融合中降解的機(jī)理[127]。

另一項(xiàng)研究研究了PBF低微量合金元素對(duì)哈氏X合金中微裂紋形成的影響，以及熱裂紋對(duì)拉伸和壓縮性能的影響[334]。他們發(fā)現(xiàn)，微量合金元素的減少導(dǎo)致AB LPBF哈氏合金X的熱裂消除，但整體抗拉強(qiáng)度降低了140 MPa[334]。同樣，研究了LPBF制備的石墨烯納米片(GPNs)增強(qiáng)K418鎳基高溫合金復(fù)合材料對(duì)拉伸性能的影響[338]。一些研究表明，在LPBF哈氏X合金中加入1wt%的碳化鈦(TiC)納米顆粒可以消除微裂紋，并將屈服強(qiáng)度提高98 MPa[340]。

用PBF制備金屬基復(fù)合材料可以提高材料的性能。Yao等人的研究表明，添加TiC納米顆粒可以提高ABLPBF IN718試樣的抗拉強(qiáng)度，而TiC納米顆粒可以阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)[271]。然而，這些顆粒在高溫作用下由MC轉(zhuǎn)變?yōu)?font face=""">M23C6碳化物，抵消了原有的強(qiáng)化機(jī)制，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度降低，提高了塑性。另外，Xia等人選擇WC顆粒對(duì)LPBFIN718試樣進(jìn)行強(qiáng)化[65]。隨著掃描速度的提高，WC顆粒和樹枝狀組織細(xì)化，抗拉強(qiáng)度提高，塑性降低。其他顆粒也被用于強(qiáng)化PBF試樣，包括石墨烯納米片[262]和碳納米管[266]。

此外，粉末層的厚度也會(huì)影響拉伸性能。事實(shí)上，Sufiiarov等人[274]觀察到，較薄的層厚度有助于更好的抗拉強(qiáng)度，因?yàn)樗�可以提供更好的相鄰層之間的結(jié)合。然而，Nayak等人觀察到100 μm層的拉伸性能與較薄層相似[416]。Zhou等人制造了316L和IN718粉末之間具有強(qiáng)結(jié)合的功能梯度材料。由于LPBF過程中產(chǎn)生了較強(qiáng)的冶金鍵，獲得了較強(qiáng)的剪切強(qiáng)度(581±11 MPa)[265]。此外，Munoz-Moreno等人使用共振超聲光譜表征AB和HTLPBF CM247LC組件的體彈性性質(zhì)和剪切模量[311]。AB試件(85GPa)與HT試件(87 ~ 88 GPa)的剪切模量相差不大。而Sabelki等人發(fā)現(xiàn)HT和構(gòu)建方向都影響LPBFIN718的扭轉(zhuǎn)性能[342]�？辜魪�(qiáng)度的評(píng)估對(duì)于許多在安全關(guān)鍵場(chǎng)景下工作的部件來說非常重要。然而，關(guān)于PBF制備鎳基高溫合金的抗剪強(qiáng)度的研究非常有限。

4.1.2.建立取向?qū)е赂飨虍愋缘睦�伸性能和控制破壞模�?/strong>

構(gòu)建方向是另一個(gè)重要的影響因素，它決定了試件的力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)各向異性[417]。Chlebus等人研究了四個(gè)方向構(gòu)建的試件的拉伸性能(圖48)[95]。結(jié)果表明，在45◦× 45◦方向建造的試樣在AB和HT條件下具有最佳的抗拉強(qiáng)度。此外，橫向構(gòu)建的試件總是比縱向構(gòu)建的試件更強(qiáng)。這是由于加載方向與晶粒生長(zhǎng)方向之間的夾角對(duì)試件的拉伸性能有很大影響。

圖48。演示常用的粉末床熔接試件相對(duì)于機(jī)床軸的布置[95]。這些布局，或構(gòu)建方向，影響后續(xù)的機(jī)械性能。

Ni等人還考慮了用于描述滑移面與滑移方向關(guān)系的Schmid因子，比較了IN718縱向和橫向試件的抗拉強(qiáng)度[259]。本研究發(fā)現(xiàn)橫向建造的試件具有較好的抗拉強(qiáng)度，這與Chlebus等[95]的研究結(jié)果一致。在另一項(xiàng)研究中，縱向和橫向試件的強(qiáng)度差異被認(rèn)為是由于加載方向與相鄰平面之間存在的孔隙方向之間的夾角造成的，這是由于未融合造成的[260]。縱向和橫向試樣的斷裂受兩種不同的破壞模式控制: 開口模式"（模式I），當(dāng)加載方向與缺陷/孔洞方向呈法線時(shí)發(fā)生，導(dǎo)致快速破壞，以及 "面內(nèi)剪切模式"（模式II），當(dāng)加載方向與孔洞方向平行時(shí)發(fā)生，是橫向構(gòu)建試樣的典型。在室溫和高溫[249,261,263,277,296]對(duì)AB[247,257,258,274,276, 279,288]和后處理標(biāo)本[64,92,264]進(jìn)行的一系列研究也得到了類似的結(jié)果。

但也有研究報(bào)道，縱向建造的試件具有更好的力學(xué)抗力。事實(shí)上，Tomus等人發(fā)現(xiàn)，在900℃測(cè)試時(shí)，在縱向方向制作的樣品性能更好[117]。這也是Haynes 282在900和20℃下的LPBF的情況[104]。然而，在橫向建造的試樣在室溫和700℃下具有更高的抗拉強(qiáng)度。這項(xiàng)研究沒有對(duì)這些觀察結(jié)果給出可靠的解釋。Kirka等人得到了類似的結(jié)果，無法解釋縱向和橫向建造標(biāo)本差異的起源[297]。作者報(bào)告說，通過增加建造高度，橫向標(biāo)本變得更強(qiáng)和更有韌性。這可能是由于恒定的熱輸入使組織底部的γ”相轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈缘?/font>δ”相所致。最后，Hovig等人進(jìn)行了一項(xiàng)關(guān)于構(gòu)建方向與LPBF試樣各向異性行為的綜合研究[314]。

4.1.3.掃描策略及其對(duì)拉伸性能的影響

制備的PBF試樣的拉伸性能主要受構(gòu)建參數(shù)的控制，其中掃描策略(能量束的路徑)是最重要的參數(shù)之一。事實(shí)上，激光功率和搭接間距被發(fā)現(xiàn)是增強(qiáng)抗拉強(qiáng)度的主要因素[336]。Kirka等人比較了點(diǎn)熱源填充掃描策略與EBM應(yīng)用的傳統(tǒng)柵格掃描策略[298]。前一種策略有助于形成更等軸的微觀結(jié)構(gòu)，幾乎消除了抗拉強(qiáng)度的各向異性�；�于這一結(jié)果，Zhou等人將一種改進(jìn)的替代掃描策略應(yīng)用于功能梯度構(gòu)件，從而提高了抗拉強(qiáng)度[265]。此外，Geiger等人比較了三種不同掃描策略(標(biāo)記為A、B和C，如圖49所示)對(duì)LPBF IN738LC組分的影響[267]。EBSD結(jié)果(圖49)顯示，不同的掃描策略會(huì)產(chǎn)生不同的微結(jié)構(gòu)特征，HT不能完全消除這些特征。拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，B掃描策略的楊氏模量始終是所有應(yīng)用策略中最高的。此外，試樣的拉伸性能還受其在建筑板上的位置和保護(hù)氣體流動(dòng)的影響。

圖49。電子背散射衍射結(jié)果顯示了掃描策略A、B和C(如圖右側(cè)所示)對(duì)樣品微觀結(jié)構(gòu)的影響[267]。這說明不同的掃描策略會(huì)產(chǎn)生不同的顯微組織特征，而熱處理并不能完全消除這些特征。不同的掃描策略也會(huì)影響材料的力學(xué)性能。拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，B掃描策略的楊氏模量始終是所有應(yīng)用策略中最高的。

4.1.4.熱處理以改善拉伸性能

為了使微結(jié)構(gòu)更加均勻，提高零件的力學(xué)性能，后處理在現(xiàn)階段仍有必要。高溫高壓的主要作用是:降低各向異性，溶解可能引發(fā)裂紋的顆粒，形成強(qiáng)化沉淀物。關(guān)于PBF鎳基高溫合金的典型熱處理和可達(dá)到的最佳性能的更多信息，讀者可以參考AMS2774《變形鎳合金和鈷合金零件的熱處理》標(biāo)準(zhǔn)[171]，該標(biāo)準(zhǔn)目前被推薦用于粉末床熔合增材制造鎳合金標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范(UNS N07718)的PBF鎳基高溫合金的熱處理[170]。高溫對(duì)PBF試樣拉伸性能的影響已被廣泛研究[66,74,92,95,165,183,186,249,251,266,283,285,289,311,339,418]。

Zhang等人[165]對(duì)常規(guī)材料應(yīng)用了兩種標(biāo)準(zhǔn)高溫超導(dǎo)技術(shù)。第一項(xiàng)包括兩個(gè)步驟:溶液處理(980℃, 1小時(shí)/風(fēng)冷)+雙老化(720℃, 8小時(shí)/爐冷卻，55℃/h至620℃, 8小時(shí)/風(fēng)冷)和第二項(xiàng)高溫處理開始的均質(zhì)處理(1080℃, 1.5小時(shí)/風(fēng)冷)，接下來是與第一項(xiàng)高溫相同的兩個(gè)步驟。兩種方法都有助于樹枝狀結(jié)構(gòu)的再結(jié)晶和γ′和γ”顆粒的析出。結(jié)果表明，兩種高溫合金都提高了材料的抗拉強(qiáng)度。還觀察到在通常用于鍛造材料的兩步高溫中，仍存在未溶解的Laves相。這說明三步HT的性能更好，盡管它產(chǎn)生的抗拉強(qiáng)度略低。相反，在碳納米管增強(qiáng)LPBF試樣[266]的研究中，高溫引起的微細(xì)組織再結(jié)晶略微降低了屈服強(qiáng)度。而利用循證醫(yī)學(xué)機(jī)器中的粉末床預(yù)熱功能實(shí)現(xiàn)的原位高溫技術(shù)則不是這樣。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的EBM試樣相比，原位高溫可導(dǎo)致更粗的微觀組織、更多的沿晶裂紋和更差的抗拉強(qiáng)度[183]。此外，Sames等人還研究了EBM中冷卻速率的影響[97]。慢冷試樣相對(duì)于快冷試樣具有更高的抗拉強(qiáng)度，但其伸長(zhǎng)率較低。對(duì)LPBF Haynes 282進(jìn)行三步高溫處理可提高屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度[186]。

熱等靜壓（HIP）是一種常用的消除微孔隙、減輕微觀結(jié)構(gòu)各向異性影響的技術(shù)。在文獻(xiàn)中通常應(yīng)用于或與其他HT工藝相比較[64,172,173,179,2500,260,269,284,287,297,418]。例如，Tomus等人研究了LPBF哈氏X合金試樣在AB、HT、HIP和HIP+HT條件下的拉伸性能[179]。結(jié)果表明，熱等靜壓使試樣的相對(duì)密度由AB狀態(tài)下的99.2% ~ 99.8%提高到99.9%。雖然它也導(dǎo)致碳化物在晶界析出，但人們認(rèn)為碳化物的數(shù)量太少，不會(huì)影響試樣的力學(xué)性能。一項(xiàng)關(guān)于IN738 HIP的研究表明，它提高了垂直和水平部分的抗拉強(qiáng)度，但降低了45◦樣品的強(qiáng)度[418]。此外，所有處理后的試樣都具有相似的抗拉強(qiáng)度，但低于AB，這是由于后期處理過程中位錯(cuò)的重排。Kreitcberg等人的另一項(xiàng)研究也證實(shí)了這一點(diǎn)，在室溫和高溫下，與其他測(cè)試的LPBF樣品相比，HIP LPBF試樣具有最低的屈服強(qiáng)度(圖50)[269]。從這些結(jié)果可以得出結(jié)論，高孔隙率導(dǎo)致高的抗拉強(qiáng)度。

圖50。760℃獲得不同熱處理的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變圖[269]。(一)Annealed-wrought。(b)竣工。(c)應(yīng)力消除。(d)再結(jié)晶退火(RA)。(e)處理過的溶液(ST)。(f)熱等靜壓。熱等靜壓激光粉末床熔試樣的屈服強(qiáng)度最低，說明不同熱處理方式對(duì)粉末床熔試樣力學(xué)性能的影響。

在Yao等人[271]的研究中，對(duì)AB和HT的LPBF IN718和TiC增強(qiáng)LPBF IN718拉伸試驗(yàn)斷口表面進(jìn)行了評(píng)價(jià)。所有試樣的斷口呈韌窩狀，表明試樣具有延性破壞。高溫試樣的韌窩更大、更淺，延性比AB試樣低。均勻化后的STA LPBF IN718試樣的強(qiáng)度高于AMS變形規(guī)格，塑性也較好[328]。

雖然在許多情況下，抗拉強(qiáng)度是一種重要的力學(xué)性能，但抗壓強(qiáng)度也很重要。通常情況下，包括晶格在內(nèi)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)在運(yùn)行中會(huì)同時(shí)承受拉伸和壓縮載荷。因此，AM晶格結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、表面積、模量和強(qiáng)度都是量身定制的，通常通過壓縮試驗(yàn)來表征[216]。Strondl等比較了EBM IN718試樣的抗拉和抗壓屈服強(qiáng)度[96]。結(jié)果表明，復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度高于常規(guī)材料，尤其是在高溫條件下。

Smith等人證明LPBF IN718試樣具有略高的壓縮屈服應(yīng)力[65]。然而，沒有一項(xiàng)研究解釋了這些差異的原因。Mostafa等人研究了LPBF構(gòu)件在鍛造過程中的熱壓縮行為[317]。結(jié)果表明，拉伸行為與應(yīng)變速率密切相關(guān)。

圖51總結(jié)了迄今為止所有研究的抗拉強(qiáng)度特性。每個(gè)點(diǎn)代表了紙張上一個(gè)樣品的拉伸性能結(jié)果。需要注意的是，大多數(shù)樣品有不同的加工和后處理?xiàng)l件，以及不同的測(cè)試程序。例如圖中一些低敷設(shè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是波波維奇等人的高溫拉伸試驗(yàn)[68]。小提琴圖需要大量的數(shù)據(jù)，而實(shí)證醫(yī)學(xué)和楊氏模量的研究數(shù)量較少是他們沒有圖的原因。從圖51b可以看出，EBM鎳基高溫合金的研究比LPBF少得多。EBM IN718和IN625的平均抗拉強(qiáng)度也略低于LPBF。在研究材料方面的研究差距在圖51中也很明顯。

圖51。小提琴圖研究了137篇論文中不同鎳基高溫合金的拉伸性能。(a)激光粉末床熔凝合金的抗拉強(qiáng)度。(b)電子束熔化合金的抗拉強(qiáng)度。(c)激光粉末床熔凝合金的屈服強(qiáng)度。(d)激光粉末床熔合合金的延伸率。白點(diǎn)為中位數(shù)，水平線為平均值，高度表示范圍，寬度表示數(shù)據(jù)量，中間的豎線為四分位間范圍。這些材料是按照有多少資料來排列的。這些數(shù)字包括本綜述中所涉及的工程中使用的大量樣本條件，因此研究之間的直接比較應(yīng)謹(jǐn)慎進(jìn)行。這表明Inconel 718和Inconel 625在文獻(xiàn)中得到了最全面的研究。電子束熔化的Inconel 718和Inconel 625的平均拉伸強(qiáng)度也略低于激光粉末床熔凝的樣品。

4.2.硬度

硬度是材料抵抗局部永久性變形(如小凹痕或劃痕)的一個(gè)指標(biāo)[420]。硬度測(cè)量很容易進(jìn)行，這就是為什么硬度是最常用的機(jī)械性能測(cè)試之一，以提供材料狀況的指標(biāo)。工藝參數(shù)和高溫對(duì)LPBF試樣的硬度有顯著影響[421]。除了構(gòu)造參數(shù)外，粉末的性質(zhì)，如粒度分布、流動(dòng)性和流變學(xué)也會(huì)影響試樣的最終硬度[121]。由于LPBF的低熱量輸入，支架對(duì)局部組織和硬度也有邊際影響[380]。

4.2.1.建立取向和硬度測(cè)量

Yen等人表明，鑄坯取向直接影響硬度性能[290]。此外，Chlebus等人證明平行于構(gòu)建方向的平面比垂直的平面硬度略高[95]。這是由于在沉積層之間造成界面重疊，更容易出現(xiàn)裂紋，以及垂直于構(gòu)建方向的較弱晶界強(qiáng)化面。Str¨oßner等人和Murr等人都得到了相似的結(jié)果[277354]，而Tomus等人認(rèn)為不同平面之間的硬度差異很小，可以忽略[179]。

這里所采用的實(shí)驗(yàn)方法自然存在差異，這些差異對(duì)產(chǎn)生這些結(jié)果差異具有潛在的重要意義。硬度隨鑄型方向的變化，表明硬度受試樣微觀結(jié)構(gòu)各向異性的影響。

事實(shí)上，Chauvet等人證明，由于LPBF的熱歷史，γ′相的尺寸沿構(gòu)建方向逐漸減小[146]。γ′尺寸的這種變化與測(cè)量的硬度梯度是一致的(圖52a)。Wang等人的研究發(fā)現(xiàn)，硬度隨著柱狀組織寬度的增加而降低[278]。

圖52。由于激光粉末床熔池?zé)釟v史的影響，γ′相尺寸沿熔池方向逐漸減小，從而影響了合金的硬度性能。(a) γ′尺寸和硬度沿生成方向的分布圖[146]。(b)硬度與孔隙度關(guān)系圖[353]。這表明，建筑高度等參數(shù)也會(huì)影響機(jī)械性能。

4.2.2.能量密度，掃描策略，掃描速度和硬度

在評(píng)價(jià)一系列工藝參數(shù)的綜合影響時(shí)，需要考慮能量密度。然而，能量密度對(duì)最終性質(zhì)的影響很難評(píng)估，因?yàn)樵S多研究基于不同的實(shí)驗(yàn)方法得出了相互矛盾的結(jié)論。Rong在圖53a所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，線能密度在173-303J/m范圍內(nèi)最優(yōu)[343]。然而，在Jia等人的另一項(xiàng)研究(圖53b)中，觀察到線性能量密度(在180 J/m到330 J/m之間)與硬度之間的比例關(guān)系[344]。得出的結(jié)論是線能密度越高，微觀組織越均勻，硬度越高[344]。相反，其他研究發(fā)現(xiàn)，材料的硬度隨著線性能量密度的增加而降低(在400 J/m ~ 1200 J/m之間)[67，281，345，。

圖53。線能密度對(duì)硬度的影響。(a)Rong等[344]。(b)賈等[344]。這表明不同作者的證據(jù)相互矛盾，Rong等人認(rèn)為線性能量密度在173 J/m到303 J/m之間是最佳的，以獲得最佳的硬度特性[343]，Jia等人認(rèn)為線性能量密度(在180 J/m到330 J/m之間)與觀察到的硬度之間存在正比關(guān)系[344]。這說明了不同研究之間發(fā)現(xiàn)的一些可變性，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了粉末床融合的可重復(fù)性挑戰(zhàn)。

特別是，一項(xiàng)研究表明，這是由于粗化的微觀組織[345]，而其他研究認(rèn)為，原因必須在更細(xì)的微觀組織和不那么脆的析出相中確定[67281]。此外，Yen等人的研究發(fā)現(xiàn)硬度與體積能密度之間沒有直接關(guān)系[290]。

Yang等人注意到，LPBF過程中的熔池模式，如匙孔和傳導(dǎo)模式(圖54)也會(huì)影響試樣的硬度[369]。小孔模式試樣的中心區(qū)和邊緣區(qū)有兩種不同的顯微組織，而導(dǎo)電模式試樣的顯微組織更為均勻。圖54列出了不同熔池區(qū)域的主要特征。匙孔模式的中心區(qū)主要得益于較細(xì)的枝晶和γ′/γ”析出相，硬度(249 HV/359 HV)高于邊緣模式(249 HV/321 HV)和傳導(dǎo)模式(260 HV/330 HV)。

圖54。粉末層熔融材料性能的非均勻性說明。(a)鎖孔模式示意圖。(b)傳導(dǎo)模式薄壁示意圖。(c)匙孔模式和傳導(dǎo)模式薄壁的特征總結(jié)。(d)匙孔模式下的顯微硬度分布。(e)傳導(dǎo)模式薄壁的顯微硬度分布[369]。匙孔模式的中心區(qū)主要得益于較細(xì)的枝晶和γ′/γ”析出相，硬度(249HV/359 HV)高于邊緣模式(249 HV/321 HV)和傳導(dǎo)模式(260 HV/330 HV)。

此外，Gu等人觀察到熔池中晶粒形態(tài)與硬度之間存在直接關(guān)系[368]。測(cè)量了熔池不同位置的硬度(圖55b和c)，結(jié)果列于圖55d。結(jié)果表明:熔池頂部表面遍布細(xì)小的胞狀枝晶和等軸晶，平均硬度為387 HV;熔池底部以單向柱狀枝晶為主，平均硬度為337 HV。熔池邊緣為多向柱狀枝晶，平均硬度為340-350 HV。熔池中心的平均硬度略高，約為363 HV。由此可知，熔池中晶粒的形貌決定了硬度的大小，而熔池的溫度梯度和冷卻速度決定了熔池中晶粒的形貌。

圖55。熔池不同區(qū)域的硬度和晶粒形態(tài)的差異[368]。(a)熔池示意圖。(b)熔池截面。(c)熔池的縱剖面。(d)硬度測(cè)量結(jié)果。(e)截面不同區(qū)域的晶粒形態(tài)。(f)熔池縱向不同區(qū)域的晶粒形貌。不同區(qū)域的硬度差異表明，熔池中晶粒的形貌決定了硬度，而熔池中晶粒的形貌受溫度梯度和冷卻速度的控制。這也說明了激光粉末床熔凝材料的非均勻性，不僅在整個(gè)樣品，而且在熔池層面。

Lu等人考慮了孤島掃描策略的影響[286]。島的尺寸越小，凝固速度越快，殘余熱的增加對(duì)凝固后的材料進(jìn)行了有效的熱處理，從而獲得更高的硬度。然而，另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，使用Meander掃描策略生成的樣品的硬度和抗壓屈服強(qiáng)度值更高，而不是使用Island方法[148]。

Choi等人指出，有一個(gè)最佳的掃描速度可以產(chǎn)生最高的硬度[59]。Xia等人研究了掃描速度對(duì)硬度的影響，結(jié)果表明掃描速度越快硬度越大[65]。事實(shí)上，更高的掃描速度產(chǎn)生更細(xì)的初生枝晶和更均勻分散的碳化物顆粒，這都有助于更高的變形抗力。

此外，Choi等人指出了獲得高硬度[59]的最佳掃描速度。然而，在較高的掃描速度，不連續(xù)的激光軌跡和未完全熔化的粉末發(fā)現(xiàn)增加孔隙率。另一方面，較低的掃描速度會(huì)導(dǎo)致過多的能量輸入和物質(zhì)汽化，使蒸汽滯留在凝固結(jié)構(gòu)中�？紫堵试礁撸�硬度越低，因?yàn)榭紫对诩虞d時(shí)很容易坍塌。LPBF IN625的孔隙率與硬度梯度相一致[59,353]。Rong等人也觀察到了類似的趨勢(shì)，但他們證明了較低掃描速度下硬度的下降會(huì)導(dǎo)致顯微組織粗化[345]。相反，Karimi等人發(fā)現(xiàn)EBM試樣硬度與孔隙度之間沒有直接關(guān)系[367]。

4.2.3.優(yōu)化熱處理提高硬度

后處理技術(shù)對(duì)試樣硬度也有顯著影響。Zhang等按照AMS 5662和AMS 5383標(biāo)準(zhǔn)[165]對(duì)LPBFIN718試樣進(jìn)行熱處理。由于時(shí)效過程中γ′和γ”強(qiáng)化顆粒的均勻析出，兩種方法的硬度均高于AB方法。關(guān)于LPBF[70,95,184,216,277,287,347,349,350,352]和EBM標(biāo)本[294,295]的其他幾項(xiàng)研究也發(fā)表了類似的結(jié)果和解釋。Deng等人提出晶粒尺寸的長(zhǎng)大可能會(huì)降低硬度[294]，而Vilaro等人對(duì)HT LPBF Nimonic 263樣品的另一項(xiàng)研究則解釋了位錯(cuò)密度和γ′粒子的析出共同影響硬度[285]。因此，晶粒尺寸并不是影響硬度的唯一因素。

一項(xiàng)研究表明，在600℃退火2h LPBF IN718不影響晶粒尺寸或樣品的顯微硬度[379]。而在950℃的固溶工藝下，晶粒內(nèi)或晶界附近細(xì)小均勻的δ-相和γ′相對(duì)合金X-Y表面硬度值(476-500 HV)有重要影響[374]。在950℃固溶工藝下，晶內(nèi)或晶界附近細(xì)小均勻的δ-相和γ′相對(duì)IN718合金的表面硬度值(HV476-500)有重要影響[375]。因此，一些研究得出了獲得最高硬度的最佳退火溫度[275,348]。在最佳溫度下，殘余應(yīng)力消除，沒有析出，導(dǎo)致硬度降低。然而，Deng等人認(rèn)為殘余應(yīng)力可以在一定程度上使材料硬化[289]。高于最佳溫度時(shí)，δ顆粒溶解，試樣失去強(qiáng)化機(jī)制，硬度降低[348]。

此外，Tucho等人證明了HT對(duì)LPBFIN718硬度的影響與溫度和保溫時(shí)間有關(guān)[185]。為了實(shí)現(xiàn)充分的再結(jié)晶，熔液溫度高于1100℃是必要的。Sun等人還發(fā)現(xiàn)，HT不僅可以提高EBMIN718試樣的硬度，還可以消除其沿構(gòu)建方向的任何梯度(圖56)[308]。其他后處理技術(shù)被發(fā)現(xiàn)對(duì)硬度有積極的影響。在EBM IN718樣品上應(yīng)用原位高溫處理技術(shù)獲得了比等效高溫處理更高的材料硬度[183]。然而，Tillmann等人對(duì)LPBF IN718的研究發(fā)現(xiàn)，熱等靜壓處理雖然極大地改善了試樣的密度和微觀組織各向同性，但硬度較AB等效試樣有所下降[72]，這可能是部分是由于顆粒的長(zhǎng)大。

圖56。預(yù)制和熱處理電子束熔化試樣的硬度分布[308]。這表明隨著冷卻制度的變化，硬度隨著建筑物高度的變化而降低。這張圖表明，盡管鑄坯高度會(huì)影響硬度，但熱處理可以降低甚至消除這種各向異性。

Murr等人在IN625的EBM研究中也得到了類似的結(jié)果[292]。他們注意到熱等靜壓不僅改變了晶體結(jié)構(gòu)，而且溶解了γ "析出相，導(dǎo)致硬度下降。另一種方法采用不同的離子輻照劑量，發(fā)現(xiàn)隨著輻照劑量的增加，IN625的納米硬度也隨之增加。

圖57總結(jié)了到目前為止所有研究的硬度特性。每個(gè)點(diǎn)代表紙張樣品的硬度值。需要注意的是，大多數(shù)樣品有不同的加工和后處理?xiàng)l件，以及不同的測(cè)試程序。在研究材料方面的研究差距在圖57中也很明顯，因?yàn)椴牧鲜前凑湛捎脭?shù)據(jù)的多少排列的。

圖57。小提琴圖研究了不同鎳基高溫合金的硬度特性，來自79篇論文。白點(diǎn)為中位數(shù)，水平線為平均值，高度表示范圍，寬度表示數(shù)據(jù)量，中間的豎線為四分位間范圍。這些材料是按照有多少資料來排列的。這些數(shù)字包括本綜述中涉及的工程中使用的大量樣本條件。這表明Inconel 718和Inconel 625在文獻(xiàn)中得到了最全面的研究。

EBM材料的數(shù)據(jù)沒有顯示在這張圖中，因?yàn)闆]有足夠的報(bào)告數(shù)據(jù)來證明類似類型的數(shù)據(jù)。讀者可參考附錄中的表10，其中匯編了PBF鎳基高溫合金的硬度數(shù)據(jù)，包括EBM數(shù)據(jù)。

4.3.韌性

在許多結(jié)構(gòu)應(yīng)用中，材料斷裂韌性是材料抵抗不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展的一種措施，需要仔細(xì)評(píng)估。與裂紋擴(kuò)展抑制相關(guān)的延遲周期是安全關(guān)鍵應(yīng)用的進(jìn)一步關(guān)鍵要求。然而，裂紋擴(kuò)展也在蠕變和疲勞兩種情況下進(jìn)行評(píng)估。

4.3.1.粉末層和層位對(duì)韌性的影響

Ardila等和Gruber等研究了再生粉末對(duì)LPBF和EBMIN718試樣斷裂韌性的影響[113,383]。對(duì)于LPBF，粉末被循環(huán)14次，并在這些循環(huán)之間的5個(gè)不同節(jié)點(diǎn)進(jìn)行Charpy測(cè)試。結(jié)果(圖58)表明，LPBF IN718試樣的斷裂所需能量在10 J左右波動(dòng)，粉末回收程度對(duì)斷裂能量的影響不明顯。對(duì)于EBM，回收粉末的過度氧化被認(rèn)為是導(dǎo)致試樣熔化不足和粘結(jié)弱的原因，從而降低了韌性。

圖58。Ardila等人的Charpy沖擊試驗(yàn)結(jié)果[113]。這些結(jié)果突出了粉末床聚變裝置通過材料回收程序的一致性挑戰(zhàn)。

Sufiiarov等研究了層厚對(duì)LPBF IN718斷裂韌性的影響[274]。結(jié)果表明，層厚越高的試樣沖擊強(qiáng)度越低，50 μm試樣沖擊強(qiáng)度為59.6J/cm2, 30 μm試樣沖擊強(qiáng)度為83.8 J/cm2。這表明，隨著層厚的增加，試樣的某些部分會(huì)出現(xiàn)更多的缺乏熔合缺陷和裂紋，這會(huì)大大降低韌性。

Popovich等人的研究表明，垂直方向的試樣的沖擊韌性略高于水平方向的試樣(分別為91.3±4.0 J/cm2和83.8±3.5 J/cm2)[382]。與Popovich等人不同的是，Hack等人的研究表明，構(gòu)建方向?qū)?font face=""">LPBF IN625試樣的韌性沒有明顯影響[381]。比較方法的一個(gè)共同主題是強(qiáng)調(diào)樣品制備的一致性，以便在結(jié)果之間進(jìn)行更有意義的比較。

4.3.2.建成后的試樣比熱處理后的試樣具有更好的韌性

Popovich等人還評(píng)估了HT(即均質(zhì)和時(shí)效)對(duì)LPBF IN718沖擊韌性的影響[68]。AB試樣的沖擊韌性(58.7 ~ 79.3 J/cm2)是熱軋和高溫等效試樣(33 ~ 38 J/cm2)的2倍左右。Hack等人也觀察到了這一點(diǎn)，所有測(cè)試的試樣都比常規(guī)制造的等效試樣具有更好的沖擊和斷裂韌性[381]。一種可能的解釋是高溫后試樣變得更脆。與拉伸試驗(yàn)結(jié)果相似，材料的沖擊強(qiáng)度在AB和HT條件下均表現(xiàn)出明顯的延性和脆性斷裂，尤其是在存在內(nèi)嵌缺陷的情況下[68]。

4.4疲勞性能

在航空航天等關(guān)鍵應(yīng)用中使用的組件承受著動(dòng)態(tài)循環(huán)機(jī)械和熱機(jī)械載荷，這意味著必須仔細(xì)考慮它們的疲勞性能[420]。與其他模擬接近靜態(tài)加載條件的方法相比，這呈現(xiàn)了一組獨(dú)特的性能特征。

我們監(jiān)測(cè)了LPBF IN718在單調(diào)和循環(huán)加載過程中的損傷演化，結(jié)果顯示，與鍛造[337]相比，LPBF材料的損傷演化速度加快，如圖59所示。LPBF工藝缺陷導(dǎo)致疲勞性能變差，并惡化疲勞裂紋擴(kuò)展行為[327]。這是一個(gè)普遍報(bào)道的觀察結(jié)果，許多努力已經(jīng)投入到更好地適應(yīng)缺陷或工程這些過程之外。

圖59。Inconel718[337]獲得了激光粉末床熔凝和鍛造合金的典型疲勞壽命曲線。(a)應(yīng)變與周期數(shù)。(b)壓力vs.周期數(shù)。與傳統(tǒng)材料相比，激光粉末床熔核工藝缺陷導(dǎo)致材料疲勞性能下降，疲勞裂紋擴(kuò)展行為惡化，這是公認(rèn)的事實(shí)。

圖60顯示了迄今為止疲勞研究中的材料和PBF參數(shù)。IN718是迄今為止研究最多的材料，熱處理、晶型取向和表面條件的影響是研究最多的參數(shù)。圖中還突出了需要更多關(guān)注和研究的材料和領(lǐng)域，如粉末成分和激光功率對(duì)疲勞性能的影響。

圖60。餅圖突出材料和粉末床融合參數(shù)與疲勞性能相關(guān)的44篇論文。(一)對(duì)材料進(jìn)行了研究。(b)對(duì)參數(shù)進(jìn)行了研究。鉻鎳鐵合金(Inconel 718)是研究最多的材料，對(duì)粉末床熔合鎳基高溫合金疲勞性能的研究最多的是熱處理和取向。

4.4.1.晶粒形貌和取向影響疲勞性能

各種各樣的疲勞性能研究都集中在不同加工參數(shù)對(duì)疲勞性能的影響上。其中，建設(shè)方向被大量調(diào)查[176,252,255,296,312,319,384,385,387,402]。例如，兩項(xiàng)研究比較了0◦、45◦和90◦方向的試件的疲勞性能[384,385]。Brodin等人報(bào)道，90◦制作的LPBF哈氏合金X試樣具有最佳的疲勞強(qiáng)度[384]。HIPEBM標(biāo)本也出現(xiàn)了同樣的結(jié)果(圖61)[296](見圖62)。關(guān)于疲勞壽命，在0◦下建造的LPBF哈氏合金X比在90◦下建造的更好，當(dāng)載荷高于600 MPa。在這種壓力下，性能的差異可以忽略不計(jì)[255]。

圖61。不同織構(gòu)和取向、等軸和柱狀的電子束熔化Inconel 718的S-N曲線表明了試樣在成形過程中受控的晶粒結(jié)構(gòu)[296]。這表明，在90◦建立的試樣具有最佳的疲勞強(qiáng)度。

圖62。不同構(gòu)建方向試件應(yīng)力幅值比較[396]。結(jié)果表明，等軸晶型試件的構(gòu)建方向影響較小，而柱狀晶型試件承受的循環(huán)應(yīng)力幅值要低得多。

Koneˇcn′a等人獲得了類似的結(jié)果，并報(bào)告說缺口90◦試樣的較大表面粗糙度可能是其疲勞壽命較差的原因[387]。此外，對(duì)于LPBF鎳基高溫合金K536，在高溫下(400 - 600℃)疲勞性能各向異性不明顯[319]。然而，在另一項(xiàng)低應(yīng)變幅值的研究中，45◦的IN718試樣比0◦的試樣具有更長(zhǎng)的疲勞壽命[176]。一個(gè)可能的解釋是，45◦建立的標(biāo)本有較長(zhǎng)的脫位運(yùn)動(dòng)的平均自由路徑。

晶粒結(jié)構(gòu)對(duì)疲勞性能也有重要影響。Zhou等人和Kirka等人仔細(xì)研究了晶粒特征對(duì)LPBFIN718試樣疲勞性能的影響[296,396]。結(jié)果表明，等軸晶型試件的構(gòu)建方向影響較小，而柱狀晶型試件的循環(huán)應(yīng)力幅值要低得多。研究表明，柱狀晶粒結(jié)構(gòu)更適合渦輪葉片，以提供方向性的優(yōu)先性能，而等軸晶粒結(jié)構(gòu)更適合渦輪盤，以滿足不同的加載條件。

4.4.2.激光驅(qū)動(dòng)對(duì)疲勞性能的影響

還研究了輸入能量對(duì)試件疲勞抗力的影響[388]。IN718使用250W (59.5 J/mm3)的輸入能量制造的樣品與950 W (59.4 J/mm3)時(shí)相比，具有更低的孔隙率和更高的抗疲勞性能。

有趣的是，功能梯度圓柱的芯材為950 W (59.4 J/mm3)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較粗的拉長(zhǎng)晶粒，殼材為250 W (59.5 J/mm3)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生細(xì)小的等軸晶粒(圖63)。高溫處理后，這些樣品的疲勞壽命達(dá)到最高，幾乎是HT+250 W (59.5 J/mm3)所制備樣品疲勞壽命的兩倍。

圖63。芯部由柱狀晶粒包裹的細(xì)等軸晶粒的功能梯度結(jié)構(gòu)示意圖。這展示了粉末層熔合獲得理想力學(xué)性能的晶粒度[388]。

Kantzos等人評(píng)估了搭接間距和相應(yīng)的冷卻速率對(duì)疲勞性能的影響[320]。增加搭接間距會(huì)導(dǎo)致熔合缺陷的缺失，而降低冷卻速率會(huì)導(dǎo)致氣孔尺寸和數(shù)量的顯著增加。結(jié)果表明，材料的疲勞性能對(duì)孔隙率的變化非常敏感。

掃描策略的等高線區(qū)域的影響也被考慮[321]。輪廓和輪廓-艙口界面缺乏融合缺陷嚴(yán)重限制了試件的疲勞性能，不能通過熱后處理消除。然而，研究表明，這一輪廓區(qū)域可以機(jī)械去除，導(dǎo)致疲勞性能的顯著改善。這一挑戰(zhàn)在表面完整性已被廣泛研究的傳統(tǒng)加工世界中得到了充分的認(rèn)識(shí)。

4.4.3.疲勞性能的熱處理和加工策略

后處理可以減少材料的孔隙率和各向異性，以提高其疲勞性能。Wang等人應(yīng)用HIP消除或減少內(nèi)置缺陷，將其疲勞極限從AB試樣的500 MPa提高到550 MPa[255]。Kanagarajah等人對(duì)一些LPBF IN939試樣進(jìn)行了兩階段STA的研究，發(fā)現(xiàn)高溫會(huì)導(dǎo)致材料出現(xiàn)一定的脆性，使試樣的疲勞壽命顯著降低[253]。事實(shí)上，我們發(fā)現(xiàn)高脆性與高敏感性的裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展有關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)高溫處理被用于消除應(yīng)力的LPBF IN718試樣。圖64為疲勞試驗(yàn)后應(yīng)力釋放和高溫試樣的應(yīng)變分布[254]。首先，應(yīng)變分布均勻，位錯(cuò)在晶界處堆積(圖64a)。

晶粒細(xì)化、應(yīng)力集中降低和裂紋萌生是疲勞強(qiáng)化的主要機(jī)制。相反，高溫下的試樣則表現(xiàn)出更多的局部應(yīng)變(圖64b)。盡管存在這些差異，但它們也表現(xiàn)出優(yōu)異的抗疲勞性能，這主要是由γ′和γ”控制的析出硬化貢獻(xiàn)較大[254]。研究了均勻化STA樣品在455℃下的疲勞性能[328]。類似地，波波維奇等人對(duì)比了AB和兩級(jí)高溫LPBFIN718試樣的熱機(jī)械疲勞壽命[388]。高溫合金具有較高的抗疲勞性能，主要是由于脆性的Laves相的溶解以及晶界上δ相的存在。

圖64。疲勞試驗(yàn)后的應(yīng)變分布與晶界圖重疊[254]。(a)應(yīng)力解除試件。(b)熱處理試樣。箭頭表示加載方向。在應(yīng)力釋放狀態(tài)下，應(yīng)變分布均勻，位錯(cuò)在晶界堆積，減少了應(yīng)力集中和裂紋萌生，是疲勞強(qiáng)化的主要機(jī)制。熱處理后試樣局部應(yīng)變?cè)黾�，但抗疲勞性能較好，說明熱處理對(duì)粉末床熔凝試樣的疲勞性能有良好的影響。

Balachandramurthi等人比較了STA和HIP+ STA對(duì)EBM試樣疲勞性能的影響[321]。結(jié)果表明，HIP+ STA比單純STA具有更好的抗疲勞性能。這是因?yàn)?font color="red">HIP + STA消除了大部分內(nèi)嵌缺陷，使δ相完全溶解，從而阻礙了γ "相的析出。在另一項(xiàng)研究中，LPBF試樣比EBM試樣具有更好的疲勞性能，這是因?yàn)?font face=""">EBM引入的融合缺陷較多[397]。然而，我們發(fā)現(xiàn)HIP和HT能夠有效地關(guān)閉LPBF和EBM的內(nèi)嵌缺陷。

表面光潔度是影響疲勞性能的另一個(gè)重要因素。事實(shí)上，對(duì)于LBPF和EBM, AB表面比加工表面提供了更多的斷裂起始位置[397]。

此外，研究表明，小尺寸試樣具有更多的表面和近表面缺陷，這導(dǎo)致力學(xué)性能下降，包括在Kotzem等人的情況下疲勞強(qiáng)度下降65%[422]。PBF生產(chǎn)的部件很可能需要在經(jīng)歷基于疲勞的加載條件之前進(jìn)行加工。表面粗糙度和嵌入顆粒等內(nèi)嵌缺陷是疲勞起始點(diǎn)的主要原因(圖65)，限制了疲勞性能[252，。

圖65。激光粉末床熔合Inconel625中亞表面缺陷和疲勞起始點(diǎn)的掃描電鏡圖像[252]。(一)低放大率。(b)高放大。(c)在建成表面嵌入粒子。表面粗糙度和嵌入顆粒等內(nèi)嵌缺陷是疲勞起始點(diǎn)的主要原因。

Wan等人觀察到表面加工和拋光后疲勞強(qiáng)度增加了約50%[423]。Koutiri等人觀察到，使用較低的掃描速度和較低的功率會(huì)導(dǎo)致更高的表面粗糙度，特別是對(duì)于大角度結(jié)構(gòu)的下表皮面[386,397]。其他拋光工藝，如低應(yīng)力磨削，被發(fā)現(xiàn)可以產(chǎn)生更整齊的表面，從而提高試樣的疲勞壽命[386,397]。Witkin等人發(fā)現(xiàn)缺口疲勞試樣的AB表面總是包含臨界尺寸的缺陷，這些缺陷可能導(dǎo)致疲勞失效的速度比使用缺口應(yīng)力集中計(jì)算估計(jì)的要快[392]。為了降低LPBF IN718疲勞性能的各向異性，開發(fā)了一種改進(jìn)的HT[401]。研究了表面制備工藝(機(jī)械或機(jī)電拋光)對(duì)LPBF IN718疲勞性能的影響[402]。此外，還研究了干切削或乳化切削條件對(duì)LPBF IN718疲勞性能的影響，發(fā)現(xiàn)干切削條件可以獲得更好的表面粗糙度和更多的殘余壓應(yīng)力，從而導(dǎo)致更多的失效循環(huán)[373]。

4.4.4.疲勞裂紋增長(zhǎng)

Koneˇcn′a等人和Kim等人比較了常規(guī)(如軋制或鍛造材料)和LPBFIN718試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展速率(圖66)[390]。LPBF制造的試樣和傳統(tǒng)等效試樣在高ΔK區(qū)域[390,424]具有相似的裂紋擴(kuò)展抗力，而在中間ΔK區(qū)域，LPBF試樣比傳統(tǒng)制備的試樣具有更高的疲勞裂紋擴(kuò)展速率[424]。然而，LPBF材料的閾值應(yīng)力強(qiáng)度因子約為1 × 10−7 mm/cycle，遠(yuǎn)低于常規(guī)等效材料，表明LPBF材料的抗疲勞性能較差。結(jié)果表明，低硼含量、較細(xì)的顯微組織和殘余應(yīng)力的存在是導(dǎo)致該結(jié)果的主要因素。

圖66。激光粉末床熔敷和常規(guī)制造的Inconel 718試樣之間疲勞裂紋擴(kuò)展的差異示意圖[390]。在高ΔK區(qū)域[390,424]，激光粉末床熔接試樣和常規(guī)試樣具有相似的裂紋擴(kuò)展抗力，而在中等ΔK區(qū)域，激光粉末床熔接試樣比常規(guī)試樣具有更高的疲勞裂紋擴(kuò)展速率。這凸顯了粉末床聚變具有與傳統(tǒng)方法相似的機(jī)械性能的潛力。

Poulin等人研究了構(gòu)建方向和后處理對(duì)LPBF IN625試件裂紋擴(kuò)展行為的影響[312]。疲勞裂紋擴(kuò)展結(jié)果(圖67)表明，解除應(yīng)力后的LPBF試件的裂紋擴(kuò)展速率對(duì)構(gòu)建方向有很大的依賴性。Ma等人的類似結(jié)果表明，在室溫和高溫下，裂縫擴(kuò)展速率與構(gòu)建方向有關(guān)[425]。此外，在Brynk等人的研究中，在45◦建立的LPBF IN718試樣具有最好的抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力[385]。后處理HIP也成功地用于消除各向異性行為。最后，LPBF IN625試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展速率與等效變形試樣相當(dāng)。此外，研究了高溫和加載方向?qū)?font face=""">LPBF IN718在550℃和2160 s滯留時(shí)間下的滯留疲勞裂紋擴(kuò)展抗力的影響，表明蠕變機(jī)制是主要的[400,426]。LPBF IN625的疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨著應(yīng)力比的增加而增加[399]。水平試樣比垂直試樣具有更快的疲勞裂紋擴(kuò)展速率[399]。采用不同的激光功率和掃描速度制備了LPBF IN738，發(fā)現(xiàn)沿大晶界存在的小晶粒是裂紋萌生點(diǎn)或影響裂紋擴(kuò)展路徑[427]。

圖67。試樣在不同熱處理?xiàng)l件下的疲勞裂紋擴(kuò)展圖和構(gòu)建取向[312]。結(jié)果表明，解除應(yīng)力后的激光粉末床熔接試件的裂紋擴(kuò)展速率與成形方向有很大的關(guān)系。

4.5蠕變特性

抗蠕變性能決定了部件在高溫條件下的性能。然而，對(duì)于LPBF鎳基高溫合金的蠕變性能還沒有得到充分的研究。研究主要集中在IN718(圖68a)以及熱處理和構(gòu)建取向(圖68b)對(duì)蠕變特性的影響。圖68還強(qiáng)調(diào)了需要更多研究的領(lǐng)域，如表面條件和復(fù)雜幾何形狀對(duì)PBF鎳基高溫合金蠕變性能的影響。迄今為止的調(diào)查也報(bào)告了用變形材料加工的同行的重大缺陷。

圖68。從21篇論文到目前為止的蠕變研究材料和粉末床融合參數(shù)的餅圖。(a)研究的材料。(b)所研究的參數(shù)(“基礎(chǔ)”指的是只在一種條件下測(cè)試材料的研究，只關(guān)注性能，而不考慮某個(gè)參數(shù)的影響)。鉻鎳鐵合金(Inconel718)是研究的主要材料，熱處理對(duì)其影響和制備方向的研究最多

蠕變?cè)囼?yàn)可分為兩種類型:拉伸加載試驗(yàn)[75,249,251,384,388,405-407]和壓縮加載試驗(yàn)[190,275,295]。前者通常能提供蠕變斷裂的信息。例如，Brodin等人觀察到在拉伸載荷下815℃下LPBF哈氏合金X的蠕變斷口[384]。通過壓縮蠕變?cè)囼?yàn)分析了試樣的蠕變率。當(dāng)達(dá)到預(yù)定的塑性變形時(shí)，試驗(yàn)通常中斷。一些非標(biāo)準(zhǔn)蠕變?cè)嚰�，�?font face=""">2桿試件也被采用[75]。小沖孔蠕變?cè)嚇邮橇硪环N常用的試樣幾何形狀，這些試驗(yàn)如圖69所示。

圖69。兩個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)本的測(cè)試示意圖。(a)小沖孔試驗(yàn)。(b)二桿試樣試驗(yàn)。這說明了在粉末床融合的小型和非常規(guī)標(biāo)本測(cè)試的潛力。

Wang等采用小沖孔蠕變?cè)囼?yàn)比較了鍛造、鑄造和低pbf材料的蠕變性能[411]。結(jié)果表明(圖70)，AB型低pbf試樣的蠕變壽命與鍛造型試樣相似，但遠(yuǎn)低于鑄造型試樣。在LPBF中，晶界處的Laves相可能導(dǎo)致蠕變性能較差。此外，實(shí)驗(yàn)加載在斷裂區(qū)域引起的局部拉應(yīng)力被認(rèn)為是導(dǎo)致斷裂時(shí)間縮短的另一個(gè)原因。另一項(xiàng)研究也發(fā)現(xiàn)，由于粉末表面的氧化物污染，LPBF IN718的蠕變延性比等效變形材料更低[428]。

圖70。蠕變撓度與蠕變時(shí)間在不同條件下的結(jié)果(鍛造- n:平行于鍛造方向的加載方向;Forged-P:加載方向垂直于鍛造方向)[411]。結(jié)果表明，激光粉末床熔接試件的蠕變壽命與鍛接試件相近，但遠(yuǎn)低于鑄接試件。

此外，還研究了AM蠕變?cè)囼?yàn)檢查的新“特殊”方法。Xu等人進(jìn)行了一種新的階段熱-力學(xué)測(cè)試方法，該方法觀察了蠕變過程中的LPBF IN718試樣缺陷的演化[75]。當(dāng)時(shí)的想法是中斷測(cè)試，并使用x射線計(jì)算機(jī)斷層掃描來表征缺陷。例如圖14為停止試驗(yàn)不同階段試件的孔隙度分布。這使得蠕變過程中孔隙積累的特征和最薄弱點(diǎn)位置的定位成為可能。

4.5.1.LPBF工藝參數(shù)影響蠕變性能和失效

LPBF結(jié)構(gòu)取向?qū)υ嚰�蠕變性能的影響已被廣泛研究[249,251,384,405,406]。Rickenbacher等人考慮了水平和垂直構(gòu)建的LPBF IN738LC試件的蠕變性能[249]。研究結(jié)果表明:與澆鑄試樣相比，垂直澆鑄試樣具有更好的抗蠕變性能。Hautfenne等人、Kuo等人和Kunze等人得到了類似的結(jié)果，解釋了垂直試樣的應(yīng)力平行于柱狀伸長(zhǎng)晶粒，這與定向凝固和單晶高溫合金的抗蠕變強(qiáng)化機(jī)制類似[251,405,406,429]。LPBF CM247LC的不同工藝參數(shù)(光束功率、層厚和能量密度)和構(gòu)建方向(30◦和90◦)的小沖蠕變?cè)囼?yàn)發(fā)現(xiàn)，90◦樣品的蠕變變形性能更好[412]。

Sanchez等人也指出，構(gòu)建方向和應(yīng)力狀態(tài)是導(dǎo)致蠕變?cè)嚇硬煌�類型破壞模式的原�?/font>[。Shassere等也研究了微觀結(jié)構(gòu)對(duì)EBM IN718試件蠕變性能的影響[409]。結(jié)果表明:柱狀晶粒試樣比等軸晶粒試樣具有更好的蠕變性能，特別是當(dāng)加載方向平行于柱狀晶粒生長(zhǎng)方向時(shí);事實(shí)上，有晶界橫向加載方向被發(fā)現(xiàn)是特別有害的蠕變阻力。

激光功率也是影響蠕變性能的重要因素。Popovich等研究了采用250 W (59.5 J/mm3)和950 W (59.4 J/mm3)兩種不同激光功率制備的LPBF IN718試樣的蠕變性能�？傮w而言，除一些富含脆性析出相的區(qū)域(圖71b)外，功率較小的試樣以韌性斷裂(圖71a)為主[388]。另一方面，使用更高功率制造的試樣在達(dá)到要求的測(cè)試條件之前就失效了。這主要是由于功率過大導(dǎo)致了大量的內(nèi)置缺陷(圖71c和d)。Sanchez等人還表明，使用多激光掃描策略不會(huì)對(duì)LPBF IN718的蠕變性能產(chǎn)生不利影響，多激光垂直構(gòu)建樣品的性能甚至與變形材料相似[415]。

圖71。不同激光功率下激光粉末床熔凝Inconel 718試樣的蠕變斷口[388]。(a)、(b)激光功率250w (59.5 J/mm3)。(c)、(d)激光功率950 W (59.4 J/mm3)。這突出了與核聚變?nèi)狈ο嚓P(guān)的災(zāi)難性失敗。

對(duì)AM制備的功能梯度材料的功能性能進(jìn)行評(píng)估是一個(gè)有趣的新興研究領(lǐng)域。Popovich等人分析比較了后處理LPBF IN718試樣和功能梯度試樣的性能[388]。

4.5.2.熱處理以提高蠕變性能

為了提高LPBF試件的蠕變性能，現(xiàn)階段仍需對(duì)試件進(jìn)行后處理。多項(xiàng)研究比較了高溫對(duì)LPBF IN718標(biāo)本的影響[190,275,406,408,413]。Pr¨obstle等人描述了圓柱形試樣在不同高溫下的蠕變性能，包括直接老化和STA[190]。處理后的試件蠕變性能有所改善。Hautfenne等人[405]證實(shí)，使用高于1000℃的溶液可以獲得更好的蠕變性能。使用1000℃的固溶溫度，然后進(jìn)行兩階段時(shí)效處理，比直接時(shí)效的試樣具有更好的抗蠕變性能[190,275]。然而，當(dāng)溶液溫度降低到1000℃以下時(shí)，直接老化的樣品性能更好[190,406]。有兩個(gè)可能的原因可以解釋這些結(jié)果[190]。第一種可能與強(qiáng)化相組成有關(guān)。在鎳基高溫合金中，Nb的含量至關(guān)重要，因?yàn)樗�形成了主要的�?qiáng)化析出相。當(dāng)溶液處理在1000℃， δ相溶解，釋放Nb在周圍的基體，因此允許更多的γ“沉淀。相反，當(dāng)在930℃處理時(shí)，更多的δ相形成，γ”相消失。但由于這些析出物比δ顆粒貢獻(xiàn)更多的蠕變阻力，在1000℃處理的標(biāo)本表現(xiàn)更好。第二個(gè)可能的原因可能是γ”的尺寸(圖72)，這些沉淀的最大平均尺寸是在1000℃處理的樣品(13.4±5.8 nm)，其次是直接老化的(9.4±3.2 nm)和最后的930℃處理的(9.1±5.8 nm)[190]。然而，Wang等人指出，使用STA比使用均質(zhì)和老化處理的蠕變壽命更短[430]。

圖72。透射電鏡圖像顯示了不同熱處理后的γ”相[190]。(a)直接老化(DA)。(b)在1000℃處理，然后老化(SHT1000℃)。(c)解決在930℃然后時(shí)效(SHT930℃)條件下處理。使用1000℃的固溶溫度，然后進(jìn)行兩階段時(shí)效處理，比直接時(shí)效的試樣具有更好的蠕變抗力，但當(dāng)固溶溫度低于1000℃時(shí)，直接時(shí)效的試樣性能更好。

另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，高溫處理后加入Y(釔)可以提高蠕變壽命和延性，因?yàn)?/font>Y氧化物(釔)不是在Al氧化物周圍析出，而是在δ相周圍析出，阻礙了δ相析出物的生長(zhǎng)，提高了蠕變性能[413]。(表11)類似地，Davies等人嘗試了兩種不同溶液溫度(1150℃和1275℃)的高溫策略，以改善LPBF C263的蠕變性能，發(fā)現(xiàn)較高的溶液溫度會(huì)增加蠕變阻力[410]。這是因?yàn)檩^高的固溶溫度會(huì)產(chǎn)生更等軸的微觀組織、更小的平均局部取向錯(cuò)誤、更短的隨機(jī)晶界網(wǎng)絡(luò)段長(zhǎng)度以及晶界處析出碳化物(MC和M6C)。結(jié)果表明，隨機(jī)晶界網(wǎng)段長(zhǎng)度越短，可能的沿晶裂紋路徑越短。而碳化物會(huì)阻礙晶界變形，進(jìn)一步提高抗蠕變性能。

然而，盡管高溫提高了LPBF IN718樣品的蠕變壽命，但在垂直構(gòu)建的高溫樣品的斷口表面，Sanchez等人的掃描線仍然很明顯(圖73b-b'，c-c ')，這表明盡管進(jìn)行了后期處理，AM特有的失效仍然發(fā)生了[414]。

圖73。激光粉末床熔凝鉻鎳鐵合金718蠕變?cè)囼?yàn)后的斷口[414]。(a) - (a ") 90◦彎道施工;熱處理(b)- (b”)90◦彎道;(c) - (c ") 90◦條紋;(d) - (d”)45◦條紋;(e) - (e ") 0◦條紋和(f) - (f ")鍛造鉻鎳鐵合金718樣品。所有圖像的方向與加載方向(LD)一致。所有表面顯示的跡象韌性斷裂和明顯的掃描線熱處理90◦樣品，這表明熱處理仍然不是最佳的粉末床熔融材料

總之，我們必須努力了解和優(yōu)化后處理，以改善LPBF制造的鎳基高溫合金的蠕變性能。為了方便讀者，表12列出了LPBF鎳基高溫合金蠕變?cè)囼?yàn)的公開數(shù)據(jù)。