哈爾濱工業(yè)大學(xué)《Scripta Materialia》增材制造強<101>織構(gòu)熱穩(wěn)定鈷基高溫合金！

來源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：鈷基γ′強化高溫合金在發(fā)電設(shè)備和航空航天工業(yè)等眾多領(lǐng)域顯示出巨大的潛力。激光粉末床熔合技術(shù)的特點與高溫合金強織構(gòu)或單晶組織的要求相吻合。然而，由于不可避免的再結(jié)晶，后熱處理工藝往往會破壞打印件的初始組織。在本研究中，我們在打印的Co-5Al-14V (at.%)三元鈷基高溫合金中獲得了強<101>織構(gòu)，這在鎳基高溫合金中很難實現(xiàn)。有趣的是，這種<101>織構(gòu)即使在接近γ′溶劑溫度的時效處理后仍保持熱穩(wěn)定。因此，獲得了具有均勻分布的γ′(L12)相的<101>織構(gòu)組織，有利于提高高溫蠕變性能。本研究所揭示的獨特的微觀結(jié)構(gòu)特征，將有利于鈷基高溫合金的發(fā)展，并為其他LPBF制造的高溫合金的微觀結(jié)構(gòu)工程提供指導(dǎo)。

由于鈷基合金的熔點比傳統(tǒng)的鎳基合金高40°C，因此對高溫合金更高工作溫度的追求導(dǎo)致了鈷基合金的探索。鈷基高溫合金具有強大的織構(gòu)或類似單晶的結(jié)構(gòu)，這為其提供了幾個優(yōu)點，包括耐高溫蠕變和抗低周疲勞性能的提高。這種強織構(gòu)或單晶結(jié)構(gòu)可以通過定向凝固等傳統(tǒng)制造方法來實現(xiàn)。激光粉末床熔融(laser powder bed fusion, LPBF)技術(shù)作為最有前途的高質(zhì)量金屬增材制造方法之一，由于激光熱源與印刷基材之間的溫度梯度，可以直接打印出具有明顯柱狀晶粒和強烈紋理的部件。
大量研究證明，調(diào)整LPBF的工藝參數(shù)可以導(dǎo)致紋理變化。面心立方(FCC)的晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)沿<100>軸。因此，谷物的生長方式與它們的<100>取向與熱流方向一致。模擬結(jié)果表明，與傳統(tǒng)鎳基高溫合金的<001>結(jié)構(gòu)相比，<111>和<101>具有更好的耐高溫蠕變性能。同時，實驗結(jié)果也證明：與<001>織構(gòu)相比，<111>結(jié)構(gòu)可以提高高溫蠕變性能。然而，在高溫固溶處理和時效過程后，LPBF制造的對偶件要保持強烈的織構(gòu)結(jié)構(gòu)是一個巨大的挑戰(zhàn)。由于LPBF過程中極端熱循環(huán)帶來的高位錯密度，這些印后過程通常會導(dǎo)致再結(jié)晶，導(dǎo)致材料晶體取向的隨機化，并破壞固有的首選取向。如圖S1所示，在打印的Co-5Al-14V樣品中存在高密度位錯。最近，我們開發(fā)了一種具有高溶劑溫度的新型Co - Al - V基高溫合金。900℃時Co-Al-V三元體系的等溫切面圖(圖1a)顯示，與典型的Co-Al-W三元體系相比，Co-Al-V三元體系的γ/γ′兩相組成區(qū)域相對較寬。這種廣泛的成分范圍為添加其他合金元素提供了有利條件，為該系列高溫合金的未來發(fā)展帶來了機遇。在本研究中，我們選擇了堿性三元合金Co-5Al-14V (at.%)進行打印并進行了顯微組織研究。我們的研究表明，這種新型鈷基高溫合金系列可以實現(xiàn)高強度的<101>織構(gòu)沿建筑方向，這是傳統(tǒng)鎳基高溫合金不易形成的特征。Co-5Al-14V合金在900℃時效24h后，我們發(fā)現(xiàn):盡管該溫度接近964°C的γ溶劑溫度，但織構(gòu)仍然非常穩(wěn)定。利用這種穩(wěn)定的織構(gòu)，我們獲得了均勻分布的γ′相，同時保留了<101>900°C直接時效，織構(gòu)取向強。這些發(fā)現(xiàn)突出了新型鈷基高溫合金在LPBF工藝中的獨特優(yōu)勢，并強調(diào)了它們在LPBF形成的單晶結(jié)構(gòu)發(fā)展方面的巨大潛力。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)院的鄭忠教授團隊對此進行了研究，相關(guān)研究成果以題為“Thermally stable strong <101> texture in additively manufactured cobalt-based superalloys”發(fā)表在期刊Scripta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1359646223006632

圖1所示。900℃富鈷區(qū)Co-Al-V三元體系等溫切面圖。(b) Co-5Al-14V (at.%)粉末的球形形貌。(c)粉末粒度分布。(d)粉末中Co、Al、V元素的能譜圖。(e)掃描策略圖。

圖2所示。(a)鑄態(tài)樣品的典型三維金相形貌;(b)-(c)鑄態(tài)試樣900℃時效24 h的SEM顯微圖;(d)打印樣品的典型三維金相形貌;(e) - (f)打印樣品在900℃下時效24 h的SEM顯微圖;(g) (h)打印樣品的XY側(cè)和YZ側(cè)的IPF。(i) (j) lpbf制備樣品的XY側(cè)和YZ側(cè)IPFs分別在900°C下時效24 h。(k) (j) LPBF制備的樣品在1050°C固溶1h和900°C時效24h后的XY和YZ側(cè)IPFs。(Z為建筑方向)

圖3所示。(a)打印樣品的XY側(cè)和YZ側(cè)的極點圖(PFs)。(b)制備的LPBF樣品的XY側(cè)和YZ側(cè)的PFs分別在900°C下時效24 h。(c) 1050℃固溶12 h、900℃時效24 h后lpbf制備樣品的XY、YZ側(cè)IPFs;(d)打印樣品優(yōu)選取向示意圖;(e)打印樣品900℃時效24 h優(yōu)選取向示意圖。

圖4所示。不同熱處理條件下LPBF樣品的XRD譜圖。

圖5所示。(a) 900℃時效24 h LPBF制備樣品的TEM亮場(BF)圖像;(b)選擇面積電子衍射(SAED);(c) TEM-EDS圖，Co, Al, V;(d)(e)跨FCC-L12間相區(qū)域的TEM-EDS線掃描。

綜上所述，我們采用激光粉末床熔合技術(shù)制備了最近開發(fā)的Co-Al-V系列鈷基高溫合金，該合金具有很大的發(fā)展?jié)摿�。具體發(fā)現(xiàn)如下:
(1)我們報告了強勁的<101>LPBF制備的新型鈷基高溫合金具有織構(gòu)結(jié)構(gòu)，這是傳統(tǒng)鎳基高溫合金難以獲得的。< 101>織構(gòu)甚至可以在接近γ′溶質(zhì)溫度時保持熱穩(wěn)定。
(2)利用LPBF形成的試樣具有良好的成分均勻性，我們成功地獲得了γ′相的均勻分布，而無需直接應(yīng)用時效工藝進行固溶處理。因此，我們得到的組分既表現(xiàn)出γ′相的均勻沉淀，又能表現(xiàn)出強烈的<101>紋理。
(3)在LPBF制備的Co-5Al-14V高溫合金的初次再結(jié)晶過程中，會發(fā)生晶粒旋轉(zhuǎn)，但強的<101>紋理在建筑方向上可以保持穩(wěn)定。這些發(fā)現(xiàn)為LPBF形成的強織構(gòu)或單晶γ′強化高溫合金的發(fā)展提供了新的見解。
本研究的透射電鏡分析由中材材料研究所(廣州)有限公司(SIMR)支持。作者也要感謝來自Shiyanjia實驗室(www.shiyanjia.com)的Kehui Han提供的EBSD分析。