ACTA: 抑制激光增材制造的鎳基高溫合金熱裂紋的新合金設(shè)計方法

來源：金屬增材制造

避免裂紋形成以確�？煽康拇蛴⌒院土己玫姆�(wěn)定性是激光增材制造合金的關(guān)鍵。與以往普遍嘗試減少液膜和凝固范圍的研究不同，本研究創(chuàng)新性地利用偏析工程和豐富的胞界引入液相回填以及偏析相網(wǎng)絡(luò)，以緩解熱應(yīng)力，從而消除熱裂紋。具體而言，通過在鎳基高溫合金中引入鋯，在激光增材制造過程中形成連續(xù)的枝晶間液膜。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋯含量達到1 wt.%時，連續(xù)金屬間化合物Ni₁₁Zr₉偏析相修飾胞界，Haynes 230合金的打印樣品中裂紋完全消除。此外，這種連續(xù)的Ni₁₁Zr₉網(wǎng)絡(luò)層可作為“骨架”顯著提高打印樣品的屈服強度。經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砗�，這些Zr改性的Haynes 230合金表現(xiàn)出優(yōu)異的強塑性組合，優(yōu)于先前報道的Haynes 230合金。這些發(fā)現(xiàn)為激光增材制造無裂紋且具有優(yōu)異力學(xué)性能的合金提供了新的合金設(shè)計路線。

創(chuàng)新方法與解決的問題：
本研究通過偏析工程策略，在激光增材制造鎳基高溫合金中引入鋯元素，利用其低分配系數(shù)在枝晶間和胞界形成連續(xù)液膜及Ni₁₁Zr₉偏析相網(wǎng)絡(luò)。該方法通過液相回填緩解熱應(yīng)力，并利用偏析相的塑性變形協(xié)調(diào)殘余應(yīng)變，從而解決了傳統(tǒng)鎳基高溫合金在快速凝固過程中因液膜擴展和熱應(yīng)力集中導(dǎo)致的熱裂紋問題。

Fig.1.
(a) 沿構(gòu)建方向（BD）的原始（0 wt.% Zr）和Zr改性Haynes 230（1 wt.% Zr）樣品的光學(xué)顯微鏡（OM）圖像。（b）斷口胞界特征證實原始樣品存在熱裂紋。原始Haynes 230樣品的微觀結(jié)構(gòu)特征：
(c) 沿BD的電子背散射衍射（EBSD）反極圖（IPF），顯示裂紋沿柱狀晶界擴展（箭頭所示）；
(d) 胞界裝飾的納米顆粒；
(g) 固態(tài)晶粒的亮場TEM圖像；
(h) (g)中Ni₂W₄C顆粒的選區(qū)電子衍射（SAED）圖樣。
Zr改性Haynes 230樣品的微觀結(jié)構(gòu)特征：
(e) 胞界連續(xù)網(wǎng)絡(luò)析出物；
(f) 沿BD的EBSD IPF圖；
(i) 固態(tài)晶粒的亮場TEM圖像；
(j) (i)中金屬間化合物Ni₁₁Zr₉相的SAED圖樣。

Fig.2.
(a) 原始和Zr改性Haynes 230合金的Scheil-Gulliver凝固曲線。（b）原始和Zr改性Haynes 230合金在30°C至1450°C加熱過程中的差示掃描量熱法（DSC）結(jié)果。（c）不同Zr含量打印樣品的X射線衍射（XRD）圖譜。（d）樣品XRD（220）和（200）衍射峰強度比隨Zr含量的變化關(guān)系。插圖提供通過sin²ψ法計算的殘余應(yīng)力值。

Fig.3.
LPBF制造的Haynes 230樣品的代表性O(shè)M和SEM圖像，分別含有：
(a,e) 0 wt.%，
(b,f) 0.5 wt.%，
(c,g) 1 wt.%，
(d,h) 1.5 wt.% Zr。黃色箭頭指示晶界。

Fig.4.
原始和Zr改性Haynes 230樣品的打印微觀結(jié)構(gòu)。
(a,d) 橫向和縱向胞微結(jié)構(gòu)的亮場TEM圖像（〈011〉帶軸）；
(b,e) 分別對應(yīng)(a)和(d)的HRTEM圖像；
(c) Ni₁₁Zr₉相的高分辨率TEM圖像；
(f) (c)中標記區(qū)域的逆傅里葉變換（IFFT）圖像。

Fig.5.
(a,b) 熱處理后原始和Zr改性Haynes 230樣品的SEM圖像概覽。（c）TEM圖像顯示納米析出相在胞和晶界均勻分布。（d）TEM圖像顯示(a)中晶界析出相的詳細微觀結(jié)構(gòu)。（e）Ni、W、Cr、Zr、Mo和C的EDS圖譜。（f）(c)中標記的ZrC顆粒的SAED圖樣。

Fig.6.
(a) 打印態(tài)和熱處理后Zr改性及原始Haynes 230合金的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（b）LPBF制造的Haynes 230合金、先前報道的鍛造Haynes 230合金及本研究中樣品的屈服強度-延伸率數(shù)據(jù)總結(jié)。

Fig.7.
TEM和SEM圖像顯示Zr改性Haynes 230樣品拉伸變形后的微觀特征：
(a) 打印態(tài)樣品中位錯在Ni₁₁Zr₉界面堆積；
(b) ZrC顆粒周圍位錯堆積；
(c) 打印態(tài)樣品的胞/晶內(nèi)撕裂斷口形貌；
(d) 熱處理后樣品的韌窩斷口形貌。

結(jié)論
本研究通過偏析工程策略，在激光增材制造鎳基高溫合金中引入鋯元素，成功實現(xiàn)了無裂紋打印。Zr的添加促使枝晶間形成連續(xù)Ni₁₁Zr₉液膜和網(wǎng)絡(luò)化金屬間化合物，有效緩解了熱應(yīng)力并抑制裂紋擴展。熱處理后，Ni₁₁Zr₉相溶解并轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蚍植嫉腪rC納米顆粒，顯著改善了合金的強塑性協(xié)同效應(yīng)。該研究為激光增材制造無裂紋且具有優(yōu)異力學(xué)性能的合金提供了新思路。

文獻鏈接
Zhao, Y., Ma, Z., Yu, L., & Liu, Y. (2023). New alloy design approach to inhibiting hot cracking in laser additive manufactured nickel-based superalloys. Acta Materialia. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118736