华中科技大学《AM》：高温延伸率提高410%！激光粉末床熔融镍基高温合金！

导读：镍基高温合金在激光粉末床融合（LPBF）过程中表现出严重的开裂倾向，阻碍了其在航空航天领域的广泛应用。本文提出了包括热等静压(HIP)和固溶体热处理(SSHT)的两步热处理，以获得无裂纹的LPBF镍基高温合金部件，其具有合金元素的过饱和固溶体，以获得所需的机械性能。LPBF样品中体积分数为0.96%的孔隙和微裂纹缺陷在HIP工艺后转化为体积分数为0.08%的孔隙主导缺陷。在SSHT之后，未观察到先前聚结的微裂纹重新出现，但由于孔隙粗化或再生长，孔隙率体积分数略有回升至0.11%。室温下沿水平面打印的HIP+SSHT样品的拉伸强度和断裂伸长率比制造的样品高3.6%和113.5%。经过两步处理后，900℃下的拉伸强度和延展性分别提高了11.9%和410.0%。

镍基高温合金由于其优异的热稳定性和抗热氧化性，已被广泛接受为航空发动机关键热端部件的*材料。快速、经济地制造这些具有几何复杂性和可靠机械性能的镍基高温合金部件是其工业应用的致命弱点。例如，具有随形冷却通道的喷气发动机镍基高温合金涡轮叶片的制造需要复杂的加工路线——陶瓷模具制备、熔模铸造、高温热处理和精密加工。每个程序都必须在严格的过程控制和监控下完成，大量材料浪费和高废品率，使得只有约10%的高温合金原料*终成为*终用途产品。

激光粉末床融合(LPBF)，俗称选择性激光熔化，是增材制造(AM)家族中一种很有前途的金属加工技术。理论上，它可以通过在激光的帮助下使用自下而上的方式选择性熔化粉末状原材料来创建任意复杂的几何形状。简化的制造模式、复杂的结构制造能力和*小的材料浪费使LPBF成为制造航空航天领域几何复杂金属部件的理想选择。

遗憾的是，LPBF镍基部件在航空航天领域的广泛应用受到不可避免的10~200μm微裂纹缺陷的阻碍，这些缺陷严重降低了部件的机械性能。通常，镍高温合金LPBF工艺的高开裂敏感性主要与三种不同的机制有关：凝固开裂、液化开裂和冷开裂。LPBF过程中的快速冷却/凝固会导致凝固裂纹，这导致液体在已经凝固的枝晶之间滞留。低熔点相，如由晶界区域的结构过冷形成的碳化物；当激光能量从当前层穿透到先前凝固的层时，这些相在晶界处重新熔化为液态，然后通过收缩其他地方的材料并拉开弱化的晶界而导致液化裂纹。当残余应力超过打印材料的极限拉伸强度时，由于大温度梯度、快速熔化/凝固和LPBF中复杂的热循环的组合，冷裂纹通常归因于过度的残余应力.因此，通过打印参数优化很难完全消除微裂纹。

近年来，通过镍基高温合金的合金化改性来抑制微裂纹的产生和扩展已经进行了许多努力。目前关于消除或减轻LPBF镍基高温合金部件微裂纹缺陷的成分改性的基本理论还不成熟和不完善。更重要的是，现有的镍基高温合金是针对传统的加工手段而不是LPBF设计的，这导致设计人员没有考虑LPBF独特的加工特性。不是*适合LPBF的成分也会使合金化改性变得更加困难。

华中科技大学魏青松教授团队提出了两步热处理工艺，包括HIP和固溶热处理(SSHT)，以获得同时提高拉伸强度和延展性的LPBF镍基高温合金部件。*步热处理HIP旨在消除微裂纹以提高延展性，随后的SSHT重点消除晶界碳化物和提高合金元素的固溶程度以增强强度。选择与哈氏合金X具有相同合金成分的固溶体镍基高温合金GH3536作为实验材料。为GH3536合金建立了优化的LPBF加工窗口。元素偏析、晶粒、碳化物、并深入揭示了经过HIP和SSHT工艺的印刷GH3536样品中的微裂纹。详细揭示了室温（20°C）和高温（900°C）下微观结构与拉伸性能之间的关系。系统地分析了高温拉伸测量中存在的延展性倾裂(DDC)现象的机制。相关研究成果以题“Two-stepheattreatmentforlaserpowderbedfusionofanickel-basedsuperalloywithsimultaneouslyenhancedtensilestrengthandductility”发表在金属增材制造顶刊AdditiveManufacturing上。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860421003328

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