《Acta Materialia》：一種新合金設(shè)計(jì)方法！抑制增材制造鎳基高溫合金熱裂紋

來(lái)源：材料科學(xué)與工程

金屬增材制造，也稱為金屬3D 打印，與傳統(tǒng)的減材制造技術(shù)相比，在復(fù)雜的整體部件制造、輕量化工程和材料利用方面具有巨大優(yōu)勢(shì)。然而，只有少數(shù)商業(yè)合金，如 316L、IN718、Ti6Al4V和 AlSi10Mg被廣泛應(yīng)用于這種新技術(shù)。首要的挑戰(zhàn)是無(wú)法生產(chǎn)無(wú)缺陷的組件。大多數(shù)合金無(wú)法適應(yīng)激光增材制造過(guò)程中的快速冷卻速率和空間變化的溫度梯度，并最終在熱應(yīng)力下表現(xiàn)出嚴(yán)重的開裂。事實(shí)上，即使是一些具有良好焊接性的合金，如 Hastelloy X 和 Haynes 230，在激光增材制造過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)明顯的裂紋。這種裂紋主要以熱裂紋為代表，在鑄造中也稱為凝固裂紋，通常發(fā)生在熔池凝固的末期。一般認(rèn)為熱裂是由元素偏析引起的，結(jié)果使合金的凝固范圍擴(kuò)大，形成阻礙枝晶結(jié)合的液膜。液體薄膜與冷卻收縮產(chǎn)生的熱應(yīng)力之間的協(xié)同效應(yīng)導(dǎo)致熱裂紋的發(fā)展。因此，避免裂紋的形成以確�？煽康拇蛴⌒院土己玫姆�(wěn)定性對(duì)于合金的激光增材制造至關(guān)重要。

與之前通常試圖降低液膜和凝固范圍的研究相反，來(lái)自天津大學(xué)的學(xué)者創(chuàng)新地利用分離工程和豐富的單元邊界來(lái)引入液體回填以及分離相網(wǎng)絡(luò)以減輕熱應(yīng)力，從而消除熱開裂。更具體地說(shuō)，在激光增材制造過(guò)程中，將鋯引入鎳基高溫合金中，形成連續(xù)的枝晶間液膜。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng) Zr 含量達(dá)到 1 wt.% 時(shí)，連續(xù)的金屬間 Ni11Zr9 偏析相修飾了晶胞邊界，并且在打印后的 Haynes 230 合金中裂紋完全消除。此外，這種連續(xù)的 Ni11Zr9網(wǎng)絡(luò)層能夠充當(dāng)“骨架”，顯著提高打印樣品的屈服強(qiáng)度。經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚砗螅�這些 Zr 改性的 Haynes 230 合金表現(xiàn)出非凡的強(qiáng)度和塑性組合，優(yōu)于先前報(bào)道的 Haynes 230 合金。這些發(fā)現(xiàn)為激光增材制造具有優(yōu)異力學(xué)性能的無(wú)裂紋合金提供了一條新的合金設(shè)計(jì)路線。相關(guān)文章以“New alloy design approach to inhibiting hot cracking in laser additive manufactured nickel-based super alloys”標(biāo)題發(fā)表在Acta Materialia。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118736

圖 1. (a) LPBF 制造的原始（0 wt.% Zr）和 Zr 改性Haynes 230（1 wt.% Zr）樣品沿構(gòu)建方向（BD）的 OM 圖像。(b) 斷裂表面的晶胞特征證實(shí)了原始樣品中的熱裂紋。原始 Haynes 230 樣品的顯微結(jié)構(gòu)特征：(c) EBSD 反極圖 (IPF) 圖，沿 BD，顯示裂紋沿柱狀晶界擴(kuò)展，如箭頭所示；(d) 裝飾晶胞邊界的納米粒子；(g) 凝固晶胞的明場(chǎng) TEM 圖像；(h) (g) 中顯示的 Ni2W4C 顆粒的 SAED 圖。Zr 改性的 Haynes 230 樣品的微觀結(jié)構(gòu)特征：(e) 連續(xù)網(wǎng)絡(luò)沉淀裝飾晶胞邊界；(f) 沿 BD 的 EBSD IPF 圖；(i) 凝固晶胞的明場(chǎng) TEM 圖像；(j) (i) 中所示的金屬間化合物Ni11Zr9 相的 SAED 圖。

圖 2. (a) 原始和 Zr 改性 Haynes 230 合金的 Scheil-Gulliver 凝固曲線。(b) 在從 30 °C 加熱到 1450 °C 期間，原始和 Zr 改性的 Haynes 230 合金的 DSC 結(jié)果。(c) 具有不同 Zr含量的打印樣品的 XRD 圖。(d) 相應(yīng)樣品的 (220) 和 (200) 衍射峰的強(qiáng)度比與 Zr 含量的函數(shù)關(guān)系。

圖 3. LPBF 制造的 Haynes 230 樣品的代表性 OM 和 SEM 圖像，其中包含 (a, e) 0 wt.%、(b, f) 0.5 wt.%、(c, g) 1 wt.% 和 (d , h) 1.5 wt% Zr。晶界用黃色箭頭表示。

圖 4. 原始和 Zr 改性 Haynes 230 樣品的打印微觀結(jié)構(gòu)。分別沿原始和 Zr 改性 Haynes 230 樣品中 (a, d) 橫向和 (b, e) 縱向晶胞微結(jié)構(gòu)的<011> 區(qū)域軸的亮場(chǎng) TEM 圖像。(c) Ni11Zr9 相在晶胞邊界的HRTEM 圖像，和 (f) 對(duì)應(yīng)于 (201) 平面上由 (c) 中黃色框標(biāo)記的區(qū)域的快速逆變換圖像。

圖 5.（a、b）SEM 圖像分別顯示原始和 Zr 改性 Haynes 230 樣品的熱處理微觀結(jié)構(gòu)概覽。(c) TEM 圖像顯示納米沉淀物均勻分布在晶胞和晶界中。(d) TEM 圖像顯示了 (a) 中的詳細(xì)微觀結(jié)構(gòu)，其中 M6C 沉淀物裝飾了晶胞邊界。(e) Ni、W、Cr、Zr、Mo 和 C 的 EDS 圖。(f) (c) 中顯示的ZrC 顆粒的 SAED 圖。

圖 6. (a) 打印和熱處理 Zr 改性和原始 Haynes 230 樣品的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b) LPBF 制造的Haynes 230、先前報(bào)告的鍛造 Haynes 230 以及此處制備的樣品的屈服強(qiáng)度伸長(zhǎng)率數(shù)據(jù)摘要

圖 7. TEM 和 SEM 圖像顯示拉伸變形后 Zr 改性的 Haynes 230 樣品。(a) 打印樣品中 Ni11Zr9 界面處堆積的位錯(cuò)，(b) 堆積在 ZrC 顆粒周圍的位錯(cuò)，(c) 打印樣品的晶間/晶內(nèi)撕裂斷裂特征，以及 (d) 酒窩斷裂熱處理后樣品的特征。

在這項(xiàng)工作中，通過(guò)引入穩(wěn)定的液體回填和網(wǎng)狀金屬間 Ni11Zr9 相，利用 Zr 原子的偏析和豐富的晶胞邊界來(lái)緩解應(yīng)力/應(yīng)變集中并協(xié)調(diào)晶粒變形，制備了無(wú)裂紋的 Haynes 230 合金.晶胞間 Ni11Zr9 相數(shù)量的增加有助于降低裂紋密度，并且發(fā)現(xiàn)當(dāng) Zr 含量達(dá)到 1 wt.% 時(shí)，熱裂紋被完全抑制。此外，觀察到金屬間化合物 Ni11Zr9 相的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)充當(dāng)“骨架”，顯著提高了打印樣品的屈服強(qiáng)度超過(guò) 50%。在隨后的熱處理之后，Zr 改性的 Haynes 230 合金表現(xiàn)出非凡的強(qiáng)度和塑性組合，這歸因于金屬間化合物 Ni11Zr9 的溶解、大尺寸 M6C 的析出減少以及晶胞和晶界處的 MC 析出�？傮w而言，本研究的工作為激光增材制造具有優(yōu)異機(jī)械性能的無(wú)裂紋合金提供了一條新的合金設(shè)計(jì)路線。（文：SSC）