西工大黃衛(wèi)東教授團(tuán)隊：3D打印稀土金屬氧化物增強鎳基高溫合金

來源 :增材制造技術(shù)前沿

2022年，西北工業(yè)大學(xué)黃衛(wèi)東教授團(tuán)隊在3D打印稀土氧化物增強鎳基高溫合金領(lǐng)域取得了新突破。相關(guān)研究成果在中科院材料科學(xué)一區(qū)top期刊《Materials Science and Engineering: A》上以“Microstructure and mechanical properties of Y2O3 strengthened Inconel 625 alloy fabricated by selective laser melting”為題發(fā)表，其中通訊作者為王理林副研究員、林鑫教授、楊海歐副研究員等人。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.143813


氧化物彌散強化（ODS）合金由金屬基體和彌散在基體中的納米氧化物顆粒組成。稀土金屬氧化物具有高熔點等特征，因此ODS合金通常在高溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性。由于鑄造等緩慢熔化和凝固過程中難以防止這些稀土金屬氧化物的團(tuán)聚和長大。粉末冶金是制造ODS合金的常用方法，稀土金屬氧化物首先通過高能球磨工藝機(jī)械合金化引入基體粉末中，然后通過后續(xù)材料成型和適當(dāng)后熱處理（如熱等靜壓、火花等離子燒結(jié)、熱軋或熱擠壓）使基體中存在納米級金屬氧化物。這些復(fù)雜制造工藝非常耗時，并且難以生產(chǎn)具有復(fù)雜幾何形狀的零件，限制了ODS合金的應(yīng)用。

選區(qū)激光熔化是基于粉末的3D打印工藝之一，在SLM過程中極高的冷卻速率（106–8K/S）凝固液態(tài)金屬。與傳統(tǒng)鑄造工藝不同，ODS合金的SLM過程中熔池的快速熔化和凝固可以抑制氧化物的長大。由于成本低、化學(xué)穩(wěn)定性高，Y2O3顆粒是傳統(tǒng)ODS合金中最常見的氧化物，特別是它有利于鎳基高溫合金的高溫性能和抗蠕變性。但目前關(guān)于Y2O3增強IN625高溫合金的研究非常有限，在這項工作中作者團(tuán)隊首次研究了SLM制備Y2O3增強IN625合金組織演化以及相應(yīng)熱處理組織和室高溫力學(xué)性能。

IN625合金粉末采用等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化工藝制備，粉末粒徑分布在15-45μm（圖2a），Y2O3粒度分布10-30 nm（圖2b）。SLM制備的原料為1%的Y2O3和99%的Y2O3�；旌戏勰┰赩CM-1K機(jī)器中混合持續(xù)18分鐘，圖2d-f為混合后的粉末形貌及元素分布。樣品是在BLT-S200 SLM設(shè)備上打印，主要工藝參數(shù)為層厚（D）20 μm，掃描間距（H）80 μm，激光功率（P）95、135和175W，掃描速度（V）600、750、900、1050和1200mm/s，層間掃描角度為67°。在打印過程中連續(xù)供應(yīng)氬氣氣氛，氧氣濃度始終低于100ppm。

圖 2 粉末形態(tài)和元素分布圖：（a）IN625;（b、c）Y2O3;（d） Y2O3/IN625;（e，f）混合粉末元素分布

研究結(jié)果表明了致密度和激光能量密度之間的關(guān)系（E=PVD/H)，如圖3所示。致密度首先隨著E的增加而增加到峰值，然后隨著E的進(jìn)一步增加而降低。當(dāng)E為93.8 J/mm3時，樣品致密度僅為98.9%，OM圖中存在較大的不規(guī)則形狀孔隙。當(dāng) E 增加到 145.8 J/mm3時，試樣實現(xiàn)了99.6%的最高密度，僅有少量約0.5μm的微小孔隙。當(dāng)E增加到182.3 J/mm3時，試樣致密度降低到99.2%，孔隙率的數(shù)量和大小再次增加。

圖3 樣品致密度隨激光能量密度變化以及三個不同能量密度處樣品的OM圖像

同時研究發(fā)現(xiàn)樣品沿打印方向XOZ平面中存在大柱狀晶，如圖4（a、c），大多晶粒尺寸小于100 μm。直接打印的IN625和Y2O3/IN625合金的XOZ平面平均晶粒尺寸為23.1μm 和21.6μm，Y2O3的添加顯著減小了樣品晶粒尺寸。對IN625和Y2O3/IN625樣品進(jìn)行1200 °C固溶處理1 小時后（HT），樣品微觀組織由于重結(jié)晶而具有退火孿晶的等軸晶，如圖4（e和g）。HT-IN625和HT-Y2O3/IN625在XOZ平面上的平均晶粒尺寸分別為51.9和25.1μm，表明HT-Y2O3/IN625中的Y2O3氧化物顆粒在熱處理過程中可有效抑制晶粒生長，并且所有樣品XOY平面和XOZ平面晶粒演變基本一致。

圖 4 樣品XOZ和XOY平面的EBSD圖像：（a，b）沉積態(tài)IN625樣品；（c、d）沉積態(tài)Y2O3/IN625樣品；（e，f）HT-IN625樣品；（g，h）HT-Y2O3/IN625樣品

直接打印的IN625、Y2O3/IN625、HT-IN625和HT-Y2O3/IN625樣品微觀結(jié)構(gòu)大多是初級γ柱狀晶并沿打印方向生長，在直接打印的IN625樣品的柱狀晶中存在白色Laves相，如圖5（a）所示，一些γ柱狀晶也存在等軸或細(xì)長的胞狀結(jié)構(gòu)。對于直接打印的Y2O3/IN625樣品，γ柱狀晶在XOZ平面上生長方向比較雜亂。直接打印的IN625和Y2O3/IN625具有較小的一次枝晶臂間距，約為0.67μm和0.68 μm。熱處理后晶粒內(nèi)部的白色Laves相溶解到γ基體中，γ柱狀晶消失。與HT- Y2O3/IN625試樣相比，HT-IN625試樣具有更大的γ晶和更多退火孿晶（圖5c、d）。此外在Y2O3/IN625中觀察到少量約為0.5-3.5μm的黑色顆粒（圖5b），EDS表明顆粒中Al和Ti的濃度很少，O和Y的原子比約為1.5，如圖5（b、d）。這些粒子尺寸約為100-200 nm如圖5（d），由此推測它們是 Y2O3粒子。

圖 5 樣品XOZ平面的SEM圖像：（a）IN625;（b）Y2O3/IN625;（c）HT-IN625和（d）HT-Y2O3/IN625

STEM觀察到白色顆粒在γ基體中均勻分布，元素分析表明主要是O和Y元素，原子分?jǐn)?shù)如圖6（a、b）所示。衍射斑點表明顆粒是體心立方晶格結(jié)構(gòu)如圖6（c）。結(jié)合元素分析表明這些白色顆粒是具有體心立方體結(jié)構(gòu)的Y2O3，在HT-Y2O3/IN625內(nèi)部的尺寸分布的如圖6（d）所示。

圖6 樣品透射電鏡圖像：（a）Y2O3/IN625；（b、c） HT-Y2O3/IN625；（d）Y2O3顆粒在HT-Y2O3/IN625中的粒徑分布

最后作者測試了樣品在20、800和1100°C下的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線和拉伸性能（圖7）。在20°C時，屈服后存在明顯的加工硬化，然后頸縮和斷裂相繼發(fā)生，HT-Y2O3/IN625和HT-IN625的屈服強度分別為394MPa和439 MPa，添加稀土金屬氧化物后屈服強度提高了45MPa。在800 °C時，樣品發(fā)生了動態(tài)應(yīng)變老化，這種現(xiàn)象在其它高溫鎳基中也常常發(fā)生，主要是由固溶原子與可移動位錯之間的相互作用引起的，之后由于動態(tài)回復(fù)和動態(tài)重結(jié)晶，試樣經(jīng)歷軟化階段，HT-Y2O3/IN625和HT-IN625的屈服強度分別為273 MPa和333 MPa，添加金屬氧化物后屈服強度提高了60 MPa。在1100°C時，試樣在屈服點后迅速軟化，沒有動態(tài)應(yīng)變老化，HT-Y2O3/IN625和HT-IN625的屈服強度分別為48 MPa和54 MPa，添加金屬氧化物后屈服強度提高6 MPa（表1）。

圖7 HT-IN625和HT-Y2O3/IN625的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線：（a）20、（b）800和（c）1100°C；（d）試樣的機(jī)械性能

表1 不同樣品在不同溫度下斷裂后的平均屈服強度和伸長率

總的來說，這項研究使用SLM成功制備出IN625和Y2O3/IN625樣品，Y2O3/IN625試樣晶粒生長在熱處理過程中受到抑制，退火孿晶數(shù)量減少，主要由于Y2O3分散性好，在Y2O3/IN625樣品中形成強化粒子。Y2O3/IN625屈服強度在室溫和高溫下均高于IN625試樣，這主要是由于Y2O3起到彌散強化作用。雖然 Y2O3降低了室溫延展性，但高溫延展性增加，主要是由于Y2O3提高了高溫下晶界的強度和抗氧化性。