西工大頂刊：增材制造鎳基高溫合金的裂紋形成機理！

來源：材料科學(xué)與工程

金屬增材制造技術(shù)(AM)以其無與倫比的設(shè)計自由度、超高的材料利用率和通過逐點逐層掃描策略帶來的巨大的制造靈活性而受到廣泛關(guān)注。盡管該技術(shù)在生產(chǎn)具有復(fù)雜幾何形狀/定制結(jié)構(gòu)和優(yōu)異綜合性能的零部件中表現(xiàn)出巨大的潛力，但裂紋等缺陷是增材制造技術(shù)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，制約了增材制造技術(shù)的進一步廣泛應(yīng)用。研究表明，眾多高性能高溫合金，如CM247LC、IN939、IN738和Hastelloy X等由于嚴(yán)重的周期性裂紋而無法實現(xiàn)可靠的打印。因此，了解裂紋的形成機理及影響開裂敏感性因素是實現(xiàn)裂紋缺陷有效抑制的根本和關(guān)鍵。

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近日，西北工業(yè)大學(xué)王錦程教授團隊針對定向能量沉積(DED) Hastelloy X，基于微觀組織分析、熱力學(xué)計算結(jié)合熱-力耦合模擬等研究方法，揭示了其裂紋形成機理，全面了解了不同冶金因素對裂紋敏感性的影響規(guī)律。相關(guān)研究成果以題“Cracking mechanism of Hastelloy Xsuperalloy during directed energy deposition additive manufacturing”發(fā)表在增材制造頂刊Additive Manufacturing上。論文第一作者為博士研究生郭博靜，王錦程教授與何峰教授為共同通訊作者，西北工業(yè)大學(xué)為通訊單位。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102792

作為一種典型的固溶強化型鎳基高溫合金，Hastelloy X因其優(yōu)良的抗氧化、耐腐蝕性和高溫強度而被廣泛應(yīng)用于燃氣渦輪發(fā)動機等零部件，如燃燒室殼體和燃油噴嘴。由于燃油噴嘴等幾何形狀極其復(fù)雜，采用增材制造技術(shù)制備Hastelloy X合金構(gòu)件展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，因而引起了工程和科學(xué)領(lǐng)域的關(guān)注。不幸的是，Hastelloy X合金在增材制造過程中極易開裂。長期以來，關(guān)于增材制造Hastelloy X合金的裂紋形成機理一直存在爭議，其開裂敏感性影響因素也尚不清晰。

本研究發(fā)現(xiàn)DED-Hastelloy X合金中的裂紋為凝固裂紋，其產(chǎn)生主要C、Mo元素顯微偏析 (促進低熔點液態(tài)膜產(chǎn)生)、晶界特征(晶界能和晶界密度)以及高的熱應(yīng)力/應(yīng)變水平相關(guān)。當(dāng)增材制造工藝條件(能量密度)改變時，凝固末期的塑性應(yīng)變率是影響開裂敏感性的關(guān)鍵因素之一。首次發(fā)現(xiàn)了S-HAGB(易裂大角度晶界)占比是影響裂紋敏感性的重要因素，DED-Hastelloy X合金臨界開裂晶界取向差角為θ*>18o，超過75%的裂紋優(yōu)先發(fā)生在晶界取向差角為25o-45o的范圍內(nèi)(定義為S-HAGB)，進一步證實了高的晶界能對開裂敏感性的重要影響。此外，晶界密度可通過調(diào)節(jié)熱應(yīng)變/應(yīng)力水平和易裂大角度晶界占比來影響開裂敏感性。

摘要圖：定向能量沉積增材制造Hastelloy X合金中產(chǎn)生了沿大角度晶界和以液態(tài)薄膜為主要特征凝固裂紋。當(dāng)增材制造熱輸入(線能量密度)改變時，凝固末期塑性應(yīng)變率水平以及易裂大角度晶界(S-HAGB)占比是影響凝固開裂敏感性的關(guān)鍵因素。通過降低塑性應(yīng)變率并同時控制易裂大角度晶界占比可有效地解決增材制造過程中開裂的瓶頸問題。優(yōu)化合金成分調(diào)整偏析也是實現(xiàn)無裂紋零件制備的一條有前途的方法。上述研究成果可用于指導(dǎo)增材制造過程中無裂紋金屬及合金的制備。