《Acta Materialia》：一種新合金設計方法！抑制增材制造鎳基高溫合金熱裂紋

來源：材料科學與工程

金屬增材制造，也稱為金屬3D 打印，與傳統(tǒng)的減材制造技術(shù)相比，在復雜的整體部件制造、輕量化工程和材料利用方面具有巨大優(yōu)勢。然而，只有少數(shù)商業(yè)合金，如 316L、IN718、Ti6Al4V和 AlSi10Mg被廣泛應用于這種新技術(shù)。首要的挑戰(zhàn)是無法生產(chǎn)無缺陷的組件。大多數(shù)合金無法適應激光增材制造過程中的快速冷卻速率和空間變化的溫度梯度，并最終在熱應力下表現(xiàn)出嚴重的開裂。事實上，即使是一些具有良好焊接性的合金，如 Hastelloy X 和 Haynes 230，在激光增材制造過程中也會出現(xiàn)明顯的裂紋。這種裂紋主要以熱裂紋為代表，在鑄造中也稱為凝固裂紋，通常發(fā)生在熔池凝固的末期。一般認為熱裂是由元素偏析引起的，結(jié)果使合金的凝固范圍擴大，形成阻礙枝晶結(jié)合的液膜。液體薄膜與冷卻收縮產(chǎn)生的熱應力之間的協(xié)同效應導致熱裂紋的發(fā)展。因此，避免裂紋的形成以確保可靠的打印性和良好的穩(wěn)定性對于合金的激光增材制造至關(guān)重要。

與之前通常試圖降低液膜和凝固范圍的研究相反，來自天津大學的學者創(chuàng)新地利用分離工程和豐富的單元邊界來引入液體回填以及分離相網(wǎng)絡以減輕熱應力，從而消除熱開裂。更具體地說，在激光增材制造過程中，將鋯引入鎳基高溫合金中，形成連續(xù)的枝晶間液膜。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當 Zr 含量達到 1 wt.% 時，連續(xù)的金屬間 Ni11Zr9 偏析相修飾了晶胞邊界，并且在打印后的 Haynes 230 合金中裂紋完全消除。此外，這種連續(xù)的 Ni11Zr9網(wǎng)絡層能夠充當“骨架”，顯著提高打印樣品的屈服強度。經(jīng)過適當?shù)臒崽幚砗�，這些 Zr 改性的 Haynes 230 合金表現(xiàn)出非凡的強度和塑性組合，優(yōu)于先前報道的 Haynes 230 合金。這些發(fā)現(xiàn)為激光增材制造具有優(yōu)異力學性能的無裂紋合金提供了一條新的合金設計路線。相關(guān)文章以“New alloy design approach to inhibiting hot cracking in laser additive manufactured nickel-based super alloys”標題發(fā)表在Acta Materialia。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118736

圖 1. (a) LPBF 制造的原始（0 wt.% Zr）和 Zr 改性Haynes 230（1 wt.% Zr）樣品沿構(gòu)建方向（BD）的 OM 圖像。(b) 斷裂表面的晶胞特征證實了原始樣品中的熱裂紋。原始 Haynes 230 樣品的顯微結(jié)構(gòu)特征：(c) EBSD 反極圖 (IPF) 圖，沿 BD，顯示裂紋沿柱狀晶界擴展，如箭頭所示；(d) 裝飾晶胞邊界的納米粒子；(g) 凝固晶胞的明場 TEM 圖像；(h) (g) 中顯示的 Ni2W4C 顆粒的 SAED 圖。Zr 改性的 Haynes 230 樣品的微觀結(jié)構(gòu)特征：(e) 連續(xù)網(wǎng)絡沉淀裝飾晶胞邊界；(f) 沿 BD 的 EBSD IPF 圖；(i) 凝固晶胞的明場 TEM 圖像；(j) (i) 中所示的金屬間化合物Ni11Zr9 相的 SAED 圖。

圖 2. (a) 原始和 Zr 改性 Haynes 230 合金的 Scheil-Gulliver 凝固曲線。(b) 在從 30 °C 加熱到 1450 °C 期間，原始和 Zr 改性的 Haynes 230 合金的 DSC 結(jié)果。(c) 具有不同 Zr含量的打印樣品的 XRD 圖。(d) 相應樣品的 (220) 和 (200) 衍射峰的強度比與 Zr 含量的函數(shù)關(guān)系。

圖 3. LPBF 制造的 Haynes 230 樣品的代表性 OM 和 SEM 圖像，其中包含 (a, e) 0 wt.%、(b, f) 0.5 wt.%、(c, g) 1 wt.% 和 (d , h) 1.5 wt% Zr。晶界用黃色箭頭表示。

圖 4. 原始和 Zr 改性 Haynes 230 樣品的打印微觀結(jié)構(gòu)。分別沿原始和 Zr 改性 Haynes 230 樣品中 (a, d) 橫向和 (b, e) 縱向晶胞微結(jié)構(gòu)的<011> 區(qū)域軸的亮場 TEM 圖像。(c) Ni11Zr9 相在晶胞邊界的HRTEM 圖像，和 (f) 對應于 (201) 平面上由 (c) 中黃色框標記的區(qū)域的快速逆變換圖像。

圖 5.（a、b）SEM 圖像分別顯示原始和 Zr 改性 Haynes 230 樣品的熱處理微觀結(jié)構(gòu)概覽。(c) TEM 圖像顯示納米沉淀物均勻分布在晶胞和晶界中。(d) TEM 圖像顯示了 (a) 中的詳細微觀結(jié)構(gòu)，其中 M6C 沉淀物裝飾了晶胞邊界。(e) Ni、W、Cr、Zr、Mo 和 C 的 EDS 圖。(f) (c) 中顯示的ZrC 顆粒的 SAED 圖。

圖 6. (a) 打印和熱處理 Zr 改性和原始 Haynes 230 樣品的工程應力-應變曲線。(b) LPBF 制造的Haynes 230、先前報告的鍛造 Haynes 230 以及此處制備的樣品的屈服強度伸長率數(shù)據(jù)摘要

圖 7. TEM 和 SEM 圖像顯示拉伸變形后 Zr 改性的 Haynes 230 樣品。(a) 打印樣品中 Ni11Zr9 界面處堆積的位錯，(b) 堆積在 ZrC 顆粒周圍的位錯，(c) 打印樣品的晶間/晶內(nèi)撕裂斷裂特征，以及 (d) 酒窩斷裂熱處理后樣品的特征。

在這項工作中，通過引入穩(wěn)定的液體回填和網(wǎng)狀金屬間 Ni11Zr9 相，利用 Zr 原子的偏析和豐富的晶胞邊界來緩解應力/應變集中并協(xié)調(diào)晶粒變形，制備了無裂紋的 Haynes 230 合金.晶胞間 Ni11Zr9 相數(shù)量的增加有助于降低裂紋密度，并且發(fā)現(xiàn)當 Zr 含量達到 1 wt.% 時，熱裂紋被完全抑制。此外，觀察到金屬間化合物 Ni11Zr9 相的連續(xù)網(wǎng)絡充當“骨架”，顯著提高了打印樣品的屈服強度超過 50%。在隨后的熱處理之后，Zr 改性的 Haynes 230 合金表現(xiàn)出非凡的強度和塑性組合，這歸因于金屬間化合物 Ni11Zr9 的溶解、大尺寸 M6C 的析出減少以及晶胞和晶界處的 MC 析出�？傮w而言，本研究的工作為激光增材制造具有優(yōu)異機械性能的無裂紋合金提供了一條新的合金設計路線。（文：SSC）