頂刊綜述《PMS》：全面總結(jié)增材制造鎳基高溫合金工藝-缺陷-性能的關(guān)系！

來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng)  

導(dǎo)讀：基于熔融的增材制造（AM）在多個(gè)長(zhǎng)度尺度上具有自由度設(shè)計(jì)，已經(jīng)顯著發(fā)展到制造鎳基高溫合金。在鎳基高溫合金的基于熔化的AM過(guò)程中，發(fā)生了原料/能源/熔池相互作用，凝固和相變等幾種現(xiàn)象，這些現(xiàn)象決定了構(gòu)建零件的最終微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。本文全面討論了AM鎳基高溫合金及其原料特性（粉末形貌、化學(xué)、污染、流動(dòng)性、回收性）和AM加工（參數(shù)和粉末鋪展/壁/球/飛濺效應(yīng)）對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)（微偏析、相形成和晶粒結(jié)構(gòu)）、缺陷生成（次表面/內(nèi)部缺陷、微裂紋、表面粗糙度和殘余應(yīng)力）的影響因素。此外，根據(jù)初始和后處理效果分析了增材制造 鎳基高溫合金的機(jī)械性能，例如室溫/高溫下的拉伸，蠕變和疲勞。此外，還強(qiáng)調(diào)了文獻(xiàn)中常用的建模方法來(lái)預(yù)測(cè)這些合金的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械行為。最后，考慮到AM鎳基高溫合金的差距，確定了當(dāng)前研究的挑戰(zhàn)和緩解方法。


與傳統(tǒng)制造工藝相比，增材制造（AM）或3D打印因其提供的優(yōu)勢(shì)而受到學(xué)術(shù)界和航空航天，汽車和醫(yī)療保健等各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域的極大關(guān)注。3 年美國(guó) AM 市場(chǎng)規(guī)模約為 2021 億美元，預(yù)計(jì)從 18 年到 9 年將以 2022.2030% 的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng) 。AM的自信研究和開發(fā)以及對(duì)原型應(yīng)用的需求不斷增加，預(yù)計(jì)將推動(dòng)市場(chǎng)增長(zhǎng)。例如，它允許工程師重新思考整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，以生產(chǎn)具有高度設(shè)計(jì)自由度的高度復(fù)雜的零件。例如，使用有限元分析的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化可用于通過(guò)去除特定區(qū)域中的材料來(lái)減輕零件的重量，從而使組件比傳統(tǒng)樣品更有效地運(yùn)行并具有更好的機(jī)械性能。利用逐層處理范式，這種優(yōu)化程序允許制造具有高強(qiáng)度/剛度與重量比、更好的能量吸收和增強(qiáng)熱性能的晶格（蜂窩）結(jié)構(gòu)。在這方面，通過(guò)AM制造的每個(gè)零件都可以針對(duì)功能進(jìn)行獨(dú)特設(shè)計(jì)，例如具有復(fù)雜內(nèi)部通道和冷卻通道的“隨形冷卻液”組件。由于增材制造可以在單個(gè)加工步驟中打印這些零件，而不需要鑄造、機(jī)加工和鉆孔等多種制造工藝，因此在增材制造加工中可以以較低的成本實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制。


增材制造還通過(guò)將裝配體的多個(gè)零件合并為單個(gè)組件的能力來(lái)促進(jìn)零件集成。這種集成提供了許多優(yōu)點(diǎn)，例如減輕整體重量、制造時(shí)間、加工步驟、成本和復(fù)雜性。此外，它還可以優(yōu)化最終部件的機(jī)械性能和性能。例如，GE集成式燃油噴嘴將20個(gè)部件的組件組合成一個(gè)由鈷鉻材料組成的組件;重量減輕25%，耐用性是傳統(tǒng)組件的5倍。此外，AM降低了購(gòu)買飛行比率，即輸入材料重量與最終零件重量的比率。通過(guò)傳統(tǒng)制造工藝制造的航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)和結(jié)構(gòu)部件的購(gòu)買飛行比可分別高達(dá)1：20和1：1。AM可以生產(chǎn)這些組件，購(gòu)買飛行比率低至1：6 。與傳統(tǒng)工藝相比，增材制造工藝減少所需材料可將成本降低多達(dá)50%至7%。此外，零件可以按需4D打印，從而減少關(guān)鍵或更換組件的庫(kù)存要求和交貨時(shí)間。所有這些因素都大大簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)制造過(guò)程并減輕了對(duì)環(huán)境的影響。由于這些優(yōu)點(diǎn)，增材制造技術(shù)作為一種新興的制造工藝，徹底改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)踐，并實(shí)現(xiàn)了工程界的創(chuàng)新。然而，增材制造加工存在重復(fù)性、尺寸公差、分層、粉末回收、缺陷、微觀結(jié)構(gòu)異質(zhì)性、元素微偏析、各向異性力學(xué)性能和后處理困難等挑戰(zhàn)，所有這些都在結(jié)構(gòu)材料和各種應(yīng)用中不斷研究和標(biāo)準(zhǔn)化。


制造一直是高性能和高溫鎳基高溫合金的主要挑戰(zhàn)，因?yàn)樾枰�昂貴的減材技術(shù)才能獲得鑄造高溫合金的結(jié)構(gòu)良好的機(jī)械性能。例如，具有復(fù)雜內(nèi)部冷卻通道的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片可以使用傳統(tǒng)的精密熔模鑄造使用蠟?zāi)Ｐ突蚧�于二氧化硅的�?fù)制方法進(jìn)行生產(chǎn)。此外，還需要陶瓷模具將大量熔融金屬真空澆注到所需零件中，在此期間沉淀γ沉淀（Ni3Al）由于漫長(zhǎng)而緩慢的凝固過(guò)程而變得不可避免。為了減少澆注的元素微偏析，需要在熔點(diǎn)略低于～1300°C的熔點(diǎn)下仔細(xì)進(jìn)行數(shù)小時(shí)的熱處理。對(duì)于部件的最終復(fù)雜形狀（例如復(fù)雜的渦輪葉片幾何形狀），還需要額外的后處理，例如加工。鎳基高溫合金（如合金718（鉻鎳鐵合金718或IN718））的加工非常困難，因?yàn)樗鼈冊(cè)趥鹘y(tǒng)的熱機(jī)械鍛造過(guò)程中具有高硬度和加工硬化傾向，這反過(guò)來(lái)又需要高切削力，導(dǎo)致更高的加工硬化效果。此外，例如，渦輪機(jī)零件制造的傳統(tǒng)熱機(jī)械加工包括熔模鑄造、機(jī)加工工藝等多種后處理，這反過(guò)來(lái)可能導(dǎo)致嚴(yán)重的化學(xué)微偏析和最終加工過(guò)程中的大量浪費(fèi)/報(bào)廢。結(jié)果，只有大約10%的鎳基高溫合金最終成為成品。


近年來(lái)，在AM上發(fā)表了幾篇金屬合金和化合物綜述論文。Debroy等人概述了增材制造工藝，并闡述了各種技術(shù)，工藝結(jié)構(gòu)-性能相關(guān)性及其在各種材料上的優(yōu)缺點(diǎn)。Sanaei 等人 討論了影響增材制造零件疲勞性能的微觀結(jié)構(gòu)因素，重點(diǎn)關(guān)注產(chǎn)生的缺陷。最近，Mostafaei等人發(fā)表了一篇關(guān)于不同金屬合金體系（如鋁、鎳、鐵和鈦基合金）在粉末床熔融增材制造過(guò)程中常見缺陷和異常的綜合綜述。雖然在文獻(xiàn)背景中還有其他一些關(guān)于通過(guò)特定增材制造技術(shù)制備的特定鎳基高溫合金的綜述摘要，本文試圖對(duì)鎳基高溫合金的聚變基AM提供更全面和確鑿的綜述摘要，重點(diǎn)是加工細(xì)節(jié)， 微觀結(jié)構(gòu)、缺陷和機(jī)械性能，以及“工藝-結(jié)構(gòu)-缺陷-性能”的關(guān)系。這部分是因?yàn)槲墨I(xiàn)中關(guān)于其他增材制造技術(shù)（例如非基于光束的技術(shù)，例如粘合劑噴射）的數(shù)據(jù)有限，盡管它們的增長(zhǎng)速度很快。此外，還將重點(diǎn)介紹聚變基AM鎳基高溫合金的模擬和預(yù)測(cè)，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。最后，對(duì)未來(lái)的研究提出了挑戰(zhàn)和展望。


亞利桑那大學(xué)材料科學(xué)與工程系單位Albert C. To、伊利諾伊理工大學(xué)Amir Mostafaei等人的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)此進(jìn)行了研究，相關(guān)研究成果以題為Additive Manufacturing of Nickel-based superalloys: a state-of-the-art review on process-structure-defect-property relationship發(fā)表在Progress in Materials Science上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0079642523000403

圖1

圖1.（a） 三種高溫合金類別的典型應(yīng)力斷裂行為，即鐵鎳基、鎳基和鈷基）。（b） 高溫合金中存在典型的合金元素。（c）具有有序晶體結(jié)構(gòu)的幾何封閉堆積（gcp）相的晶體結(jié)構(gòu)，即高溫合金微觀結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)的γ'，γ“，δ相和η相。請(qǐng)注意，開空心圓表示Ni原子，黑色實(shí)心圓圈表示化合物中的M原子（即Al，Ti和Nb）;此外，陰影平面顯示了晶體結(jié)構(gòu)中最接近的堆積平面。

通常，根據(jù)原料類型和逐層沉積技術(shù)開發(fā)了不同的增材制造工藝。在基于金屬熔融的增材制造工藝中，原料是粉末或金屬絲的形式，結(jié)合系統(tǒng)基于激光或電子束等熱源，其中金屬融合然后快速凝固（速率為104-106K/s）。圖2顯示了最常見的基于融合的AM過(guò)程的示意圖。在本節(jié)和后續(xù)段落中，將進(jìn)一步解釋這些基于融合的AM技術(shù)中的每一種。目前，基于熔融的增材制造技術(shù)在其他金屬增材制造生產(chǎn)方法中提供了最佳的再現(xiàn)性和尺寸精度，因此在醫(yī)學(xué)（鈦、不銹鋼和鈷鉻合金）、航空航天和國(guó)防（鎳基高溫合金）和能源（不銹鋼和高溫合金）等學(xué)術(shù)界和工業(yè)界得到了很好的研究。

圖 2.基于熔融的通用增材制造工藝示意圖：（a）激光粉末床熔融（L-PBF）。（b）電子束粉末床聚變（E-PBF）。（c） 激光束直接能量沉積 （DED） 和激光熔化、粉末流和保護(hù)氣體應(yīng)用的橫截面圖。（d） 線弧增材制造。

與焊接一樣，基于熔化的AM加工零件經(jīng)歷非平衡凝固過(guò)程，具有復(fù)雜的熔體流動(dòng)和極端的熱歷史，并且多次掃描會(huì)影響后續(xù)層或軌道之間的粘合并促進(jìn)零件內(nèi)的相變。因此，鎳基高溫合金通過(guò)熔融基增材制造工藝的加工性能可以使用鎳基高溫合金的可焊性來(lái)估計(jì)。通常，可焊接和不可焊接鎳基高溫合金之間的邊界取決于合金中的Al和Ti含量，如圖3所示。據(jù)信，由這些成分形成的γ′沉淀物是高溫下開裂形成的原因。

圖3.各種高溫合金的相對(duì)可焊性由Al/Ti與Cr/Co的成分決定。

顆粒形狀- 與流動(dòng)性和堆積密度相關(guān)的另一個(gè)粉末特征是顆粒形狀。表面光滑的球形粉末可以防止顆粒之間的摩擦，提高粉末原料的流動(dòng)性和堆積密度。如圖4所示，球形顆粒的良好組合以及沒有小于10μm的衛(wèi)星顆粒的粒度分布可以導(dǎo)致孔隙率低于0.5%。結(jié)果還驗(yàn)證了水霧化法制備的粉末由于其不規(guī)則的形貌而具有最大的孔隙率。人們認(rèn)為氣體霧化粉末似乎比水霧化粉末表現(xiàn)更好，但氣體霧化粉末仍然存在局限性，例如衛(wèi)星顆粒。雖然DED工藝不需要重新涂覆粉末，但粉末的流動(dòng)性似乎會(huì)影響最終AM組分的體積密度。盡管沒有明確解釋，但據(jù)信PREP粉末中更好的循環(huán)性和流動(dòng)性可以提高填充效率，從而減少孔隙率。

圖4.（上）粉末特性，例如尺寸分布，表觀密度和振實(shí)密度以及Haunser比率，粉末的（中）掃描電子顯微照片，以及L-PBF加工鎳基合金橫截面處的（底部）光學(xué)圖像，指示孔隙率和開裂缺陷。

使用不同的掃描策略會(huì)深刻影響增材制造加工鎳基高溫合金在缺陷形成、微觀結(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)變方面的性能。由于不同的掃描策略會(huì)導(dǎo)致熱分布的變化，因此晶粒結(jié)構(gòu)會(huì)同時(shí)變化，這取決于熱梯度的方向和大小。隨著圖案旋轉(zhuǎn)的島狀掃描導(dǎo)致更均勻的晶粒結(jié)構(gòu)和更少的紋理，表明均勻的掃描策略可能會(huì)降低驅(qū)動(dòng)晶粒外延生長(zhǎng)的熱梯度的方向性（見圖5）。還觀察到掃描策略的均勻性有助于中斷DED加工的鎳基高溫合金的外延生長(zhǎng)。同樣，重復(fù)次數(shù)較少的掃描策略可減少殘余應(yīng)變，從而減少構(gòu)建的偏轉(zhuǎn)。累積效應(yīng)改變了PBF過(guò)程中開裂的敏感性。研究證實(shí)，重復(fù)掃描和非均勻掃描策略會(huì)顯著增加裂紋密度，特別是在不可焊接的高溫合金中。這些研究清楚地揭示了為通過(guò)熔融增材制造技術(shù)加工的鎳基高溫合金尋求掃描策略和加工參數(shù)的優(yōu)化組合的重要性。

圖5.電子背散射衍射(EBSD)和反極圖(IPF) Z圖分別顯示了不同掃描策略(a)不旋轉(zhuǎn)掃描線掃描、(b)旋轉(zhuǎn)掃描線掃描、(c)旋轉(zhuǎn)掃描線掃描和(d)旋轉(zhuǎn)掃描島掃描)處理哈氏X的L-PBF的晶粒形貌。注意，第1行對(duì)應(yīng)于相對(duì)于構(gòu)建方向的顆粒結(jié)構(gòu);第2行對(duì)應(yīng)橫向上的晶粒結(jié)構(gòu);第3行給出了每個(gè)條件的極點(diǎn)圖。

圖6.示意圖分別顯示了在Ar和He氣氛下單珠形貌的剝蝕和球化現(xiàn)象的比較。

圖7.粉末床熔合AM過(guò)程中粉末擴(kuò)散動(dòng)態(tài)。(a)粒徑與層厚在粉床質(zhì)量和均勻撒粉方面的關(guān)系。(b)動(dòng)態(tài)“壁效應(yīng)”:耙料推進(jìn)粉樁時(shí)，粉末之間的強(qiáng)接觸力將部分顆粒從粉層中拖出。(c)粉層異常圖。

圖8.激光噴丸處理IN625的透射電鏡(a,b)頂部表面，(c,d) 100 μm深度，(e,f) 1000 μm深度。(g)顯示微觀結(jié)構(gòu)概述的示意圖。

圖9.(a)中L-PBF和(b)中E-PBF處理的SB-CoNi-10高溫合金:(1)顯示建成后微觀結(jié)構(gòu)的拼接BSE圖像。在最終構(gòu)建層附近，1mm以下，2mm以下和4mm以下的特定微結(jié)構(gòu)分別顯示在(2)，(3)，(4)和(5)中。(6)和(7)分別顯示了新建和熱處理樣品的垂直截面IPF Z圖。(8)和(9)進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了高倍觀察顯示熱處理樣品的γ-γ′結(jié)構(gòu)。注意(1)的比例尺為50 μm;(2 ~ 5)的比例尺為5 μm;(6)和(7)的比例尺為500 μm;(8)比例尺為25 μm;(9)的比例尺為5 μm。

圖10.IN718加工后L-PBF的組織和晶粒分布。還包括鍛造和鑄造的顯微組織及相應(yīng)的SEM圖片。

圖11.IN 718 LP-DED、Haynes 282 L-PBF和Hastelloy X L-PBF樣品在不同熱處理?xiàng)l件下的典型SEM顯微圖:(a)-(c)沉積態(tài)(NHT)， (d)-(e)完全熱處理IN 718 LP-DED(即1065℃/1.5小時(shí)應(yīng)力恢復(fù)(SR) + 1162℃/3.5小時(shí)均質(zhì)+ 1065℃/1小時(shí)溶解+ 760℃/10h完全時(shí)效+650℃/10h) ;(f)-(g)完全熱處理的Haynes 282 L-PBF(即，1065℃/1.5小時(shí)的應(yīng)力恢復(fù)(SR) + 1165℃/3.5小時(shí)/100 MPa的HIPed + 1135℃/1hr的溶解+ 1010℃/2h的完全時(shí)效+788℃/8h) [187];(h)-(i)完全熱處理的哈氏合金X L-PBF(即，1065°C/1.5小時(shí)的應(yīng)力恢復(fù)(SR) + 1165°C/3.5小時(shí)/100 MPa的HIPed +在1177°C/3小時(shí)的溶解。

總之,用于AM工藝的粉末原料的特性對(duì)鎳基高溫合金的加工性能起著至關(guān)重要的作用。顆粒形態(tài)和尺寸分布決定了粉末的流動(dòng)性和堆積密度。具有良好流動(dòng)性和堆積密度的粉末使熔體能夠有效地流入孔隙中，從而在DED和PBF加工的鎳基超合金零件中實(shí)現(xiàn)更高的堆積密度。雖然增加表面粗糙度可以增強(qiáng)熱量的吸收率，但建議使用不含超細(xì)顆粒的球形粉末可以獲得更好的流動(dòng)性和產(chǎn)生的堆積密度。被捕獲的氣體（特別是氧氣）和污染物也可能通過(guò)形成不利的相來(lái)降低堆積密度，這些相有利于裂紋擴(kuò)展并在固化部件內(nèi)留下氣孔。這些發(fā)現(xiàn)也類似于使用回收粉末時(shí)建筑部件的性能下降。分布在熔化粉末外圍的受熱影響的粉末可能會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，例如氧化、元素?fù)p失、形態(tài)重塑以及尺寸分布變化導(dǎo)致流動(dòng)性下降。制造和篩分粉末的技術(shù)選擇與鎳基高溫合金的材料特性高度相關(guān)。