鎳基高溫合金增材制造研究進(jìn)展

來源：材料工程
作者：衛(wèi)東雨


鎳基高溫合金具有良好的高溫性能和抗氧化性能常用于制造航空發(fā)動機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)中在高溫工作環(huán)境中服役的零件。增材制造是一種快速制造技術(shù)，其主要特點是通過材料逐層堆積構(gòu)建出所需的三維結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點在于可以制造出復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，節(jié)省材料，制造小批量或個性化產(chǎn)品，制造多材料組合件，為高端制造業(yè)的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇。此外，增材制造獨特的微觀組織，可以提高產(chǎn)品性能，使其逐漸成為制備高溫合金復(fù)雜零件的主要方法之一。本文對增材制造鎳基高溫合金的制備方法、常見牌號以及合金的組織與性能進(jìn)行了綜述，總結(jié)了當(dāng)前存在的問題，提出了未來值得探索的研究領(lǐng)域。

增材制造方法
增材制造，又稱3D打印，是一種使用激光束、電子束、電弧等作為能源將原材料整合成致密部件的制造技術(shù)。金屬增材技術(shù)制造依據(jù)送料系統(tǒng)可分為粉床、送粉和送絲系統(tǒng)。表1主要介紹了不同的增材制造方法的基本過程及優(yōu)缺點。

表1  不同增材制造方法對比

增材制造鎳基合金

· 常用增材制造鎳基高溫合金

鎳基高溫合金以Ni-Cr二元系作為其基體，并加入固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化元素以進(jìn)行強(qiáng)化。表2主要介紹了被廣泛用于增材制造的鎳基高溫合金的化學(xué)成分，包含IN625，IN718，Hastelloy X，CM247LC和IN738LC。其中Hastelloy X和IN625為固溶強(qiáng)化鎳基高溫合金，該合金主要依靠添加固溶元素和形成碳化物來增強(qiáng)其強(qiáng)度。IN718是使用最為廣泛使的一種沉淀強(qiáng)化鎳基高溫合金，占所有高溫合金產(chǎn)量的35%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）以上，主要通過常見的析出相包括γʹ和γ″來增強(qiáng)其強(qiáng)度，IN718合金中Al、Ti總含量仍較低，表現(xiàn)出良好的可焊性和可打印性。CM247LC和IN738LC合金中鋁鈦含量超過了5%，通常被稱為難焊鎳基高溫合金，較高的鋁鈦含量使合金中容易形成高體積分?jǐn)?shù)的γʹ強(qiáng)化相。

表2  常見增材制造用鎳基高溫合金的成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

· 增材制造鎳基高溫合金的室溫拉伸性能

表3~6顯示了不同鎳基高溫合金的室溫拉伸性能�？偨Y(jié)出高溫合金的拉伸性能受到多種因素的影響。首先，增材制造鎳基高溫合金的拉伸性能與鎳基高溫合金種類密切相關(guān)。固溶強(qiáng)化的Hastelloy X與IN625合金的室溫拉伸性能整體較低，合金的塑性較好；IN718合金的塑性不如IN625合金，但其強(qiáng)度經(jīng)過適合的增材制造和后處理可以達(dá)到較高的程度；難焊高溫合金CM247LC和IN738LC由于其含有大量的γʹ強(qiáng)化相，其強(qiáng)度普遍較高，但在打印過程中容易出現(xiàn)裂紋問題，塑性較差。

其次，高溫合金的室溫拉伸性能受到加工方法的影響。一般來說，增材制造合金的室溫拉伸性能高于傳統(tǒng)鑄造制備的零件。在不同增材制造方法中，WAAM制備得到的合金強(qiáng)度較低，有時甚至低于鑄造的水平；PBF方法制備的合金室溫拉伸性能的分散性較大，其性能極不穩(wěn)定；而DED制備的合金的室溫拉伸性能高于WAAM，相比PBF，其室溫拉伸性能的分散性較低。

最后，增材制造高溫合金的拉伸性能會受到熱處理的影響，不同類型的高溫合金在熱處理后其拉伸性能變化略有不同。對于固溶強(qiáng)化型鎳基高溫合金，如IN625、Hastelly X，在熱處理后，合金的強(qiáng)度下降，而塑性提高；在HIP處理后，IN738LC合金在室溫拉伸強(qiáng)度和伸長率方面都有所提高；打印態(tài)的CM247LC在標(biāo)準(zhǔn)熱處理后與打印態(tài)CM247LC的屈服強(qiáng)度相差不大，經(jīng)過HIP處理后，強(qiáng)度變化不大，但延展性有所提高。通過合適的熱處理，增材制造的高溫合金可以實現(xiàn)性能顯著提升。

表3 不同制備方式下IN625 合金的室溫拉伸性能

表4 不同制備方式下IN718 合金的室溫拉伸性能

表5 不同制備方式下Hastelloy X 合金的室溫拉伸性能

表6 不同制備方式下CM247LC 和IN738LC 合金的室溫拉伸性能

存在的問題
盡管增材制造已被廣泛應(yīng)用于鎳基高溫合金的制備中，但仍存在大量待解決的問題。

（1）增材制造合金的微觀組織和力學(xué)性能存在明顯的各向異性。在增材制造試樣內(nèi)部形成了沿<001>方向具有明顯織構(gòu)的柱狀晶組織，這種獨特的微觀組織導(dǎo)致了合金在力學(xué)性能上的各向異性。

（2）高性能鎳基高溫合金打印性能差，開裂敏感性高。高性能的鎳基高溫合金焊接性能差，裂紋敏感性問題依然是當(dāng)前增材制造中面臨的一項重要技術(shù)挑戰(zhàn)。

（3）缺乏鎳基高溫合金增材制造的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對于最終產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性至關(guān)重要，但在增材制造領(lǐng)域，缺乏全面的、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)仍是一個突出的問題。相關(guān)規(guī)劃和標(biāo)準(zhǔn)的建立對于推動增材制造的大規(guī)模生產(chǎn)和工業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要。

未來研究領(lǐng)域
增材制造鎳基高溫合金領(lǐng)域充滿大量機(jī)遇，基于本綜述，作者提出了一些值得探索的領(lǐng)域。增材制造鎳基高溫合金未來的研究領(lǐng)域包含：

（1）增材制造鎳基高溫合金熱處理

熱處理可減少增材制造鎳基高溫合金的冶金缺陷和調(diào)控微觀組織，實現(xiàn)材料性能優(yōu)化。但目前的大多數(shù)熱處理方法是基于傳統(tǒng)經(jīng)驗，而這些經(jīng)驗并不完全適用于增材制造過程中零件，亟需建立適用于增材制造鎳基高溫合金的熱處理技術(shù)。

（2）增材制造新型無裂紋鎳基高溫合金的定制和開發(fā)

增材制造領(lǐng)域面臨的機(jī)遇之一是新合金的開發(fā)。目前多數(shù)獲得應(yīng)用的增材制造鎳基高溫合金主要是為鑄造或鍛造等傳統(tǒng)制造方法設(shè)計的，導(dǎo)致一些高性能高溫合金無法適用于增材制造。高溫合金中多種元素之間存在強(qiáng)相互作用，通過使用機(jī)器學(xué)習(xí)、計算材料科學(xué)、材料設(shè)計軟件和高通量方法的綜合應(yīng)用，可以加速高溫合金設(shè)計與驗證，為合金設(shè)計和優(yōu)化提供快速、低成本和可靠的途徑。

（3）探索復(fù)雜結(jié)構(gòu)鎳基高溫合金增材部件的工藝-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系

盡管鎳基高溫合金增材制造工藝、材料開裂行為和力學(xué)性能之間的關(guān)系已有一定的理解，但直接將這些關(guān)系應(yīng)用于更大尺寸或更精細(xì)、具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的實際工程部件仍然面臨挑戰(zhàn)。因此，深入研究增材制造鎳基高溫合金部件中精細(xì)特征和大尺寸晶格結(jié)構(gòu)可控制備，以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)工程部件的殘余應(yīng)力分布與演變、開裂行為和構(gòu)件服役性能等，對于推動其工程應(yīng)用十分關(guān)鍵。

（4）計算和建模用于解決增材制造過程中的各種問題

通過整合計算與建模、人工智能技術(shù)至增材制造的各個階段，可實現(xiàn)更高效、精確和可持續(xù)的穩(wěn)定生產(chǎn)�；�于人工智能的在線監(jiān)測系統(tǒng)和反饋系統(tǒng)可在工藝實時控制和優(yōu)化方面起到關(guān)鍵作用。增材制造的計算與建模領(lǐng)域?qū)⒏�加依賴于人工智能、在線監(jiān)測系統(tǒng)以及模擬與建模的融合，來進(jìn)一步推動該領(lǐng)域的快速發(fā)展。

團(tuán)隊介紹

祝國梁研究員團(tuán)隊，隸屬于上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院凝固科學(xué)與技術(shù)研究所。團(tuán)隊主要圍繞金屬增材制造技術(shù)、承載功能一體化構(gòu)筑材料開展研究工作，現(xiàn)有包括國防高層次人才、青年長江、青年托舉在內(nèi)的正高1人、副高1人和中級3人，牽頭承擔(dān)了重大基礎(chǔ)研究項目、重大專項課題、國家自然科學(xué)基金、教育部聯(lián)合基金等項目，發(fā)表SCI論文百余篇，獲省部級獎勵4項。

原文出處：祝國梁, 羅樺, 賀戩, 等. 鎳基高溫合金增材制造研究進(jìn)展[J]. 材料工程, 2024, 52(2): 1-15

ZHU G L, LUO H, HE J, et al. Advances in additive manufacturing of nickel-based high-temperature alloys[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(2): 1-15