《Acta Materialia》：一种新合金设计方法！抑制增材制造镍基高温合金热裂纹

来源：材料科学与工程

金属增材制造，也称为金属3D 打印，与传统的减材制造技术相比，在复杂的整体部件制造、轻量化工程和材料利用方面具有巨大优势。然而，只有少数商业合金，如 316L、IN718、Ti6Al4V和 AlSi10Mg被广泛应用于这种新技术。首要的挑战是无法生产无缺陷的组件。大多数合金无法适应激光增材制造过程中的快速冷却速率和空间变化的温度梯度，并最终在热应力下表现出严重的开裂。事实上，即使是一些具有良好焊接性的合金，如 Hastelloy X 和 Haynes 230，在激光增材制造过程中也会出现明显的裂纹。这种裂纹主要以热裂纹为代表，在铸造中也称为凝固裂纹，通常发生在熔池凝固的末期。一般认为热裂是由元素偏析引起的，结果使合金的凝固范围扩大，形成阻碍枝晶结合的液膜。液体薄膜与冷却收缩产生的热应力之间的协同效应导致热裂纹的发展。因此，避免裂纹的形成以确保可靠的打印性和良好的稳定性对于合金的激光增材制造至关重要。

与之前通常试图降低液膜和凝固范围的研究相反，来自天津大学的学者创新地利用分离工程和丰富的单元边界来引入液体回填以及分离相网络以减轻热应力，从而消除热开裂。更具体地说，在激光增材制造过程中，将锆引入镍基高温合金中，形成连续的枝晶间液膜。结果发现，当 Zr 含量达到 1 wt.% 时，连续的金属间 Ni11Zr9 偏析相修饰了晶胞边界，并且在打印后的 Haynes 230 合金中裂纹完全消除。此外，这种连续的 Ni11Zr9网络层能够充当“骨架”，显着提高打印样品的屈服强度。经过适当的热处理后，这些 Zr 改性的 Haynes 230 合金表现出非凡的强度和塑性组合，优于先前报道的 Haynes 230 合金。这些发现为激光增材制造具有优异力学性能的无裂纹合金提供了一条新的合金设计路线。相关文章以“New alloy design approach to inhibiting hot cracking in laser additive manufactured nickel-based super alloys”标题发表在Acta Materialia。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118736

图 1. (a) LPBF 制造的原始（0 wt.% Zr）和 Zr 改性Haynes 230（1 wt.% Zr）样品沿构建方向（BD）的 OM 图像。(b) 断裂表面的晶胞特征证实了原始样品中的热裂纹。原始 Haynes 230 样品的显微结构特征：(c) EBSD 反极图 (IPF) 图，沿 BD，显示裂纹沿柱状晶界扩展，如箭头所示；(d) 装饰晶胞边界的纳米粒子；(g) 凝固晶胞的明场 TEM 图像；(h) (g) 中显示的 Ni2W4C 颗粒的 SAED 图。Zr 改性的 Haynes 230 样品的微观结构特征：(e) 连续网络沉淀装饰晶胞边界；(f) 沿 BD 的 EBSD IPF 图；(i) 凝固晶胞的明场 TEM 图像；(j) (i) 中所示的金属间化合物Ni11Zr9 相的 SAED 图。

图 2. (a) 原始和 Zr 改性 Haynes 230 合金的 Scheil-Gulliver 凝固曲线。(b) 在从 30 °C 加热到 1450 °C 期间，原始和 Zr 改性的 Haynes 230 合金的 DSC 结果。(c) 具有不同 Zr含量的打印样品的 XRD 图。(d) 相应样品的 (220) 和 (200) 衍射峰的强度比与 Zr 含量的函数关系。

图 3. LPBF 制造的 Haynes 230 样品的代表性 OM 和 SEM 图像，其中包含 (a, e) 0 wt.%、(b, f) 0.5 wt.%、(c, g) 1 wt.% 和 (d , h) 1.5 wt% Zr。晶界用黄色箭头表示。

图 4. 原始和 Zr 改性 Haynes 230 样品的打印微观结构。分别沿原始和 Zr 改性 Haynes 230 样品中 (a, d) 横向和 (b, e) 纵向晶胞微结构的<011> 区域轴的亮场 TEM 图像。(c) Ni11Zr9 相在晶胞边界的HRTEM 图像，和 (f) 对应于 (201) 平面上由 (c) 中黄色框标记的区域的快速逆变换图像。

图 5.（a、b）SEM 图像分别显示原始和 Zr 改性 Haynes 230 样品的热处理微观结构概览。(c) TEM 图像显示纳米沉淀物均匀分布在晶胞和晶界中。(d) TEM 图像显示了 (a) 中的详细微观结构，其中 M6C 沉淀物装饰了晶胞边界。(e) Ni、W、Cr、Zr、Mo 和 C 的 EDS 图。(f) (c) 中显示的ZrC 颗粒的 SAED 图。

图 6. (a) 打印和热处理 Zr 改性和原始 Haynes 230 样品的工程应力-应变曲线。(b) LPBF 制造的Haynes 230、先前报告的锻造 Haynes 230 以及此处制备的样品的屈服强度伸长率数据摘要

图 7. TEM 和 SEM 图像显示拉伸变形后 Zr 改性的 Haynes 230 样品。(a) 打印样品中 Ni11Zr9 界面处堆积的位错，(b) 堆积在 ZrC 颗粒周围的位错，(c) 打印样品的晶间/晶内撕裂断裂特征，以及 (d) 酒窝断裂热处理后样品的特征。

在这项工作中，通过引入稳定的液体回填和网状金属间 Ni11Zr9 相，利用 Zr 原子的偏析和丰富的晶胞边界来缓解应力/应变集中并协调晶粒变形，制备了无裂纹的 Haynes 230 合金.晶胞间 Ni11Zr9 相数量的增加有助于降低裂纹密度，并且发现当 Zr 含量达到 1 wt.% 时，热裂纹被完全抑制。此外，观察到金属间化合物 Ni11Zr9 相的连续网络充当“骨架”，显着提高了打印样品的屈服强度超过 50%。在随后的热处理之后，Zr 改性的 Haynes 230 合金表现出非凡的强度和塑性组合，这归因于金属间化合物 Ni11Zr9 的溶解、大尺寸 M6C 的析出减少以及晶胞和晶界处的 MC 析出。总体而言，本研究的工作为激光增材制造具有优异机械性能的无裂纹合金提供了一条新的合金设计路线。（文：SSC）