​西南交大徐軼團(tuán)隊(duì)：增材制造高溫合金力學(xué)性能達(dá)到鍛件水平！

來(lái)源：材料科學(xué)與工程

眾所周知，當(dāng)前的航空航天制造業(yè)需要越來(lái)越復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。采用傳統(tǒng)制造方法加工具有復(fù)雜內(nèi)外輪廓的高溫合金零件，時(shí)間成本高，復(fù)雜度高，甚至有些零件無(wú)法制造。增材制造（AM）的快速發(fā)展為滿足結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多品種、小規(guī)格的高端零部件制造提供了可能性。對(duì)于金屬增材制造，選擇性激光熔化（SLM）具有良好的前景和潛力。SLM目前已成為IN718高溫合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件高精度制造的關(guān)鍵候選技術(shù)。

SLM Inconel 718高溫合金的顯微組織與傳統(tǒng)鍛造和鑄造有很大不同。在激光能量密度高、激光運(yùn)動(dòng)極快且與合金粉末相互作用時(shí)間短的常規(guī)SLM制造中，大的溫度梯度是不可避免的。由于IN718合金是面心立方（FCC）金屬，上述有利的凝固方向和大的溫度梯度導(dǎo)致<100>方向織構(gòu)和平行于構(gòu)建方向的柱狀結(jié)晶，容易造成微觀結(jié)構(gòu)的各向異性，從而影響部件整體的機(jī)械性能。

且由于Inconel 718高溫合金長(zhǎng)期應(yīng)用于高溫和高應(yīng)力的環(huán)境中，由于蠕變導(dǎo)致的微觀結(jié)構(gòu)損傷，將導(dǎo)致Inconel 718高溫合金失效。對(duì)于SLM Inconel 718高溫合金的高溫持久各向異性的研究相對(duì)較少，不同晶體結(jié)構(gòu)和析出相對(duì)高溫持久各向異性的影響，仍需要進(jìn)一步的深入研究。

西南交大徐軼團(tuán)隊(duì)與空軍裝備部首席專家/天府科技菁英郭雙全團(tuán)隊(duì)聯(lián)合研究，通過(guò)后處理調(diào)控不同構(gòu)建方向試樣的晶體結(jié)構(gòu)和析出相特征，同時(shí)在650℃和690MPa下測(cè)試了SLM Inconel 718高溫合金試樣的持久性能，研究討論了晶體結(jié)構(gòu)和析出相與高溫持久各向異性的關(guān)系，并就相關(guān)研究成果在2022年歐洲高溫合金年會(huì)做了交流報(bào)告。

同時(shí)，相關(guān)論文以題為“Anisotropic Stress Rupture Properties-Microstructure Relationships in SLM Inconel 718 Alloy”刊登在金屬材料領(lǐng)域高水平期刊Metallurgical and Materials Transactions A。基于此項(xiàng)工作，進(jìn)一步對(duì)SLM Inconel 718高溫合金進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)調(diào)控后，在無(wú)熱等靜壓條件下，大幅降低各向異性，室溫拉伸，高溫拉伸和高溫持久等性能已全面達(dá)到鍛件技術(shù)要求。論文第一作者為碩士研究生何思逸，通訊作者為徐軼特聘研究員。

論文鏈接：https://doi.org/10.1007/s11661-022-06872-2

圖1（a）應(yīng)力斷裂下 HT1、HT2和HT3的IPF圖和（b）大小角度晶界及孿晶界分布圖；（c） 粒度分布直方圖和（d）晶界取向差折線圖

HT1和HT2的垂直和水平試樣的晶界取向差大多在2°<θ<15°范圍內(nèi)，屬于低角度晶界(LAGBs)。HT3試樣的高角度晶界(HAGBs，θ>15°)和孿晶界的比例顯著增加(~ 60% <111>60°孿晶界(TBs))。

圖2 經(jīng)調(diào)控處理的微觀組織形貌

圖3（a，c）HT3試樣δ、γ′和γ′′相的TEM BF圖像；（b，d）高溫持久試驗(yàn)前HT3試樣δ、γ′和γ′′相的HRTEM和FFTs圖像

在HIP處理下，枝晶間的Laves相在高溫下會(huì)溶入基體，釋放出大量Nb元素；在高溫下，由于元素的擴(kuò)散功率大，Nb元素的分布較為均勻。這導(dǎo)致時(shí)效處理產(chǎn)生的γ′′相顯著增加，圖3(c)，(d)是HT3樣品的TEM BF和HRTEM圖像，顯示具有BCC (DO22)晶體結(jié)構(gòu)的γ′′-Ni3Nb相。

圖4（a）高溫持久試驗(yàn)后HT1、HT2和HT3的水平和垂直試樣沿拉伸方向的橫截面的SEM圖像；（b）裂紋長(zhǎng)度分布的疊加直方圖和（c）平均裂紋長(zhǎng)度及標(biāo)準(zhǔn)偏差

微觀結(jié)構(gòu)上，所有試件均出現(xiàn)典型的微孔聚集破壞機(jī)制。垂直于加載方向的材料分離在各試件中均有發(fā)生，但分離程度不同。圖4(b)和(c)量化了在持久斷裂截面中觀察到的所有裂紋特征。

圖5（a）HT2、（b）HT1和（c）HT3水平和垂直試樣的裂紋萌生擴(kuò)展差異示意圖

研究結(jié)果表明：
HT1、HT2和HT3試樣的高溫持久壽命差異率分別為72.5%、116.3%和32.1%。高溫持久性能的各向異性隨著水平方向和垂直方向上裂紋萌生點(diǎn)數(shù)量之差的減小而減小。

對(duì)于基本保留打印微觀結(jié)構(gòu)的試樣，沿應(yīng)力方向不同熔池類型數(shù)量的差異是主要影響因素。對(duì)于同時(shí)含有大量δ相及柱狀晶粒的試樣，沿應(yīng)力方向的橫向晶界數(shù)量和長(zhǎng)度差異是決定其高溫持久各向異性的主要因素。對(duì)于含有大尺寸等軸晶的試樣，晶粒均勻度和潛在晶界缺陷可能是影響高溫持久壽命各向異性的決定性因素。

文：何思逸。感謝論文作者團(tuán)隊(duì)對(duì)本文的大力支持。