通過添加微量Sc同步增強(qiáng)鎳基高溫合金的可3D打印性與性能

來源： 增材制造技術(shù)前沿

鎳基高溫合金在制造需要承受極端環(huán)境和熱應(yīng)力的產(chǎn)品中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。其中，主要由Ni3(Al, Ti)組成的γ′相是鎳基高溫合金的關(guān)鍵強(qiáng)化相。因此，Al和Ti的比例對于實現(xiàn)高含量的γ′相和優(yōu)異性能至關(guān)重要。然而，高含量的γ′相會導(dǎo)致可打印性能下降，并在3D打印過程中形成凝固裂紋。特別地，Al + Ti含量超過6wt%的鎳基高溫合金被認(rèn)為是不可焊接的。因此，研究人員正付出大量努力，通過3D打印生產(chǎn)無缺陷的高Al和高Ti鎳基高溫合金。

例如，通過降低制造過程中的溫度梯度來減輕鎳基高溫合金的內(nèi)部應(yīng)力，從而緩解其開裂傾向。同時，通過調(diào)整化學(xué)成分或引入第二相粒子，合金設(shè)計被證明能夠最小化開裂敏感性。調(diào)整微量元素如B、C、Zr可以增強(qiáng)合金的機(jī)械性能，但它們也可能在3D打印過程中引發(fā)熱裂紋。

眾所周知，添加微量稀土元素可以顯著改善合金的機(jī)械性能。增材制造技術(shù)前沿注意到，來自中南大學(xué)的研究人員近日發(fā)表了題為“Synchronously enhanced printability and properties of additively manufactured nickel-based superalloys via alloying minor Sc”的文章，在不改變主要元素、不增加合金制造成本的情況下，通過添加微量稀土元素Sc來抑制不可焊接鎳基高溫合金在增材制造過程中的開裂問題。

https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.03.087
本研究采用了含有7wt% Al + Ti、13% Co、12% Cr、4% Mo、4% W、4% Ta以及≤0.3%的C+B+Zr+Hf組合的13Co鎳基超合金材料。通過添加約0.01%的Sc，制備了13Co + Sc合金變體。采用霧化法制備了粒徑范圍為10-63 μm的35Co和13Co + Sc粉末，并進(jìn)行了篩分，采用SLM技術(shù)成功制備了無需后續(xù)熱處理的試樣。

研究發(fā)現(xiàn)，13Co合金中存在許多裂紋和孔隙，大部分與建造方向平行，其中一些裂紋長達(dá)數(shù)百微米。相比之下，13Co + Sc合金中的裂紋較少且較短，只觀察到微小裂紋和球形孔隙。13Co和13Co + Sc合金的密度分別為98.5%和99.4%。EBSD分析表明，與13Co合金相比，13Co + Sc合金的平均晶粒尺寸更小。此外，13Co + Sc合金顯示出明顯的柱狀晶粒定向生長，長度可達(dá)300–500 μm�？棙�(gòu)強(qiáng)度分析顯示，13Co + Sc合金的擇優(yōu)生長方向更為顯著，其織構(gòu)最大強(qiáng)度為15.45，而13Co合金的織構(gòu)強(qiáng)度僅為5.74，表明13Co合金的晶粒生長方向更為隨機(jī)。這些差異歸因于Sc元素的添加，它細(xì)化了晶粒并增強(qiáng)了合金承受熱應(yīng)力和凝固收縮的能力，盡管兩種合金的激光加工條件相同。

a.光學(xué)顯微鏡圖像；b.打印合金的裂紋密度、孔隙率和相對密度；c).13Co合金和13Co+Sc合金的XRD圖譜； (d1) 13Co 和 (d2) 13Co + Sc 的 EBSD 圖像；(e1) XZ 平面和 (e2) XY 平面的晶粒尺寸分布；分別為打印態(tài)13Co 和13Co + Sc 在 XZ 平面的極圖

盡管兩種合金都含有類似類型的白色納米析出物，但它們的內(nèi)部形態(tài)卻有所不同，這很可能是由于添加了Sc元素。在鎳基超合金中添加Sc會導(dǎo)致形成新的Al3Sc析出相，該析出相與Ni基體之間形成一致界面。這有助于異質(zhì)形核，促進(jìn)晶粒細(xì)化，并使碳化物和硼化物在晶界上分布更為均勻。此外，Sc還有助于緩解B和C等元素在晶界的濃度，從而減少熱應(yīng)力的累積，并在一定程度上防止裂紋的形成。這些效應(yīng)共同增強(qiáng)了13Co + Sc合金的機(jī)械性能和微觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

a.13Co和13Co+Sc合金在環(huán)境溫度下的拉伸性能；b,c.13Co合金和(d,e)13Co+Sc合金的斷裂形貌

13Co合金的屈服強(qiáng)度為756 MPa，拉伸強(qiáng)度為846 MPa，延伸率為6.3%。相比之下，13Co + Sc 合金表現(xiàn)出更好的性能，屈服強(qiáng)度為906 MPa，拉伸強(qiáng)度為1036 MPa，延伸率為 8.9%。這意味著與13Co合金相比，13Co+Sc合金的屈服強(qiáng)度增加了約19.8%，拉伸強(qiáng)度增加了22.5%，伸長率增加了41.3%，凸顯了Sc 添加對機(jī)械性能的有益影響。

對13Co合金的拉伸斷口分析顯示，存在許多裂紋和較大的開口，裂紋往往沿枝晶路徑擴(kuò)展，這是由于凝固問題所致。相比之下，13Co + Sc合金內(nèi)部裂紋較少，并顯示出穿晶斷裂面，同時存在許多凹坑，這表明合金具有較高的塑性。這一現(xiàn)象歸因于13Co + Sc合金內(nèi)部裂紋較少，以及晶間結(jié)合力更強(qiáng)。這些特點使得13Co + Sc合金在受力時能夠更好地抵抗裂紋擴(kuò)展，從而提高其整體力學(xué)性能。

總的來說，本文研究了Sc對增材制造鎳基超合金微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明，Sc促進(jìn)了晶粒細(xì)化，并使碳化物和硼化物等低熔點相在晶界上的分布更加均勻，減少了熱應(yīng)力的積累，抑制了裂紋的形成，從而提高了增材制造超合金的可打印性和性能。這些發(fā)現(xiàn)為優(yōu)化鎳基超合金的增材制造工藝和提高其實際應(yīng)用性能提供了重要的理論依據(jù)。