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金屬增材制造，也稱為金屬3D打印技術(shù)，在復(fù)雜的整體部件制造、輕量化工程和材料利用率方面與傳統(tǒng)的減材制造技術(shù)相比具有巨大優(yōu)勢。然而，這種新技術(shù)只在少數(shù)商用合金如316L、IN718、Ti6Al4V和AlSi10Mg中得到實際應(yīng)用。要實現(xiàn)金屬增材制造在合金領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，首先要克服的挑戰(zhàn)就是無缺陷組件的制造。大多數(shù)合金無法適應(yīng)激光增材制造過程中快速冷卻導(dǎo)致的巨大溫度梯度，即使是一些具有良好焊接性的合金，如Hastelloy X和Haynes 230，也會在熱應(yīng)力下表現(xiàn)出嚴(yán)重開裂。這種裂紋主要以熱裂紋為代表，在鑄造中也稱為凝固裂紋，一般發(fā)生在熔池凝固的末期。通常認(rèn)為熱裂紋是由元素偏析引起的，元素偏析導(dǎo)致合金凝固范圍擴(kuò)大，進(jìn)而形成阻礙枝晶結(jié)合的液膜，而液膜與合金冷卻收縮過程產(chǎn)生的熱應(yīng)力之間存在協(xié)同效應(yīng)，進(jìn)一步促進(jìn)應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致熱裂紋的產(chǎn)生。

避免裂紋的形成以確保打印性能和良好穩(wěn)定性，一直是合金增材制造領(lǐng)域的研究熱點。以往的研究大多集中在降低液膜的形成率和縮小合金的凝固范圍，本工作從偏析元素入手，創(chuàng)新地在凝固末期將液膜均勻引入枝晶間，實現(xiàn)液體回填，釋放殘余應(yīng)力，緩解應(yīng)力集中，消除熱裂紋。以Ni基高溫合金為例，在激光增材制造過程中，將Zr引入Ni基高溫合金中，形成連續(xù)金屬間化合物Ni11Zr9，當(dāng)Zr含量達(dá)到1 wt%時，成功打印出無裂紋的Haynes 230合金。令人驚喜的是，這種連續(xù)的Ni11Zr9網(wǎng)狀層還被發(fā)現(xiàn)能發(fā)揮“骨架”作用，顯著提高了打印樣品的屈服強(qiáng)度。而經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砗螅?jīng)Zr改性的Haynes 230合金，更表現(xiàn)出大幅優(yōu)于改性前合金的強(qiáng)塑性。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)性能的合金提供了一條新的合金設(shè)計思路。

天津大學(xué)劉永長教授團(tuán)隊將此研究成果以題 “New alloy design approach to inhibiting hot cracking in laser additive manufactured nickel-based superalloys” 發(fā)表在國際著名期刊Acta Materialia上。

論文鏈接:

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118736

Graphical abstract

圖1. (a) LPBF制造的原始（0 wt% Zr）和Zr改性Haynes 230（1 wt% Zr）樣品沿打印方向（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(kuò)展，如箭頭所示；(d) 聚集在晶界的納米粒子；(g) 明場TEM 圖像；(h) Ni2W4的SAED圖C粒子顯示在(g)中。Zr改性的Haynes 230樣品的微觀結(jié)構(gòu)特征：(e) 連續(xù)網(wǎng)絡(luò)沉淀聚集在晶界；(f) 沿BD的EBSD IPF圖；(i) 凝固細(xì)胞的明場TEM圖像；(j)-(i) 所示的金屬間化合物Ni11Zr9相的SAED圖案。

圖2. LPBF制造的Haynes 230樣品的OM和SEM圖像：(a, e) 0 wt%Zr；(b, f) 0.5 wt.% Zr；(c, g) 1 wt% Zr和(d, h) 1.5 wt% Zr。

在這項工作中，創(chuàng)新地采用偏析工程在凝固末期引入連續(xù)均勻的枝晶間液膜，并消除激光增材制造過程中的熱裂紋。該策略本質(zhì)上是利用鎳基高溫合金中Zr低分配系數(shù)的特點，在晶胞和晶界處形成連續(xù)穩(wěn)定的液膜，實現(xiàn)液體回填以緩解應(yīng)力集中。評估了該工藝消除熱裂紋的能力，并研究了印刷樣品的晶胞和晶界處網(wǎng)絡(luò)金屬間化合物的形成。隨后，金屬間化合物的溶解，晶間碳化物的細(xì)化和轉(zhuǎn)變，系統(tǒng)地表征了熱處理過程中的M6C-to-MC。最后，測試最終樣品的力學(xué)性能，并將其與先前報告的樣品進(jìn)行比較。

圖3. (a, b) SEM圖像分別展示了原始和Zr改性Haynes 230樣品的熱處理微結(jié)構(gòu)。(c) TEM圖像顯示納米沉淀物均勻分布。(d) TEM圖像顯示了(a)中的詳細(xì)微觀結(jié)構(gòu)，其中M6C沉淀物聚集在晶界。(e) Ni、W、Cr、Zr、Mo和C的EDS圖。(f)是(c)中顯示ZrC顆粒的SAED

圖4. 經(jīng)3D打印和熱處理的Zr改性和原始Haynes 230樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b) LPBF制造的Haynes 230、傳統(tǒng)方法和本研究所用方法