​西南交大徐轶团队:增材制造高温合金力学性能达到锻件水平!

3D打印科研前沿
2022
11/21
13:25
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来源:材料科学与工程

众所周知,当前的航空航天制造业需要越来越复杂的结构设计。采用传统制造方法加工具有复杂内外轮廓的高温合金零件,时间成本高,复杂度高,甚至有些零件无法制造。增材制造(AM)的快速发展为满足结构复杂、多品种、小规格的高端零部件制造提供了可能性。对于金属增材制造,选择性激光熔化(SLM)具有良好的前景和潜力。SLM目前已成为IN718高温合金复杂结构零件高精度制造的关键候选技术。

SLM Inconel 718高温合金的显微组织与传统锻造和铸造有很大不同。在激光能量密度高、激光运动极快且与合金粉末相互作用时间短的常规SLM制造中,大的温度梯度是不可避免的。由于IN718合金是面心立方(FCC)金属,上述有利的凝固方向和大的温度梯度导致<100>方向织构和平行于构建方向的柱状结晶,容易造成微观结构的各向异性,从而影响部件整体的机械性能。

且由于Inconel 718高温合金长期应用于高温和高应力的环境中,由于蠕变导致的微观结构损伤,将导致Inconel 718高温合金失效。对于SLM Inconel 718高温合金的高温持久各向异性的研究相对较少,不同晶体结构和析出相对高温持久各向异性的影响,仍需要进一步的深入研究。

西南交大徐轶团队与空军装备部首席专家/天府科技菁英郭双全团队联合研究,通过后处理调控不同构建方向试样的晶体结构和析出相特征,同时在650℃和690MPa下测试了SLM Inconel 718高温合金试样的持久性能,研究讨论了晶体结构和析出相与高温持久各向异性的关系,并就相关研究成果在2022年欧洲高温合金年会做了交流报告。
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同时,相关论文以题为“Anisotropic Stress Rupture Properties-Microstructure Relationships in SLM Inconel 718 Alloy”刊登在金属材料领域高水平期刊Metallurgical and Materials Transactions A。基于此项工作,进一步对SLM Inconel 718高温合金进行组织结构调控后,在无热等静压条件下,大幅降低各向异性,室温拉伸,高温拉伸和高温持久等性能已全面达到锻件技术要求。论文第一作者为硕士研究生何思逸,通讯作者为徐轶特聘研究员。

论文链接:https://doi.org/10.1007/s11661-022-06872-2
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图1(a)应力断裂下 HT1、HT2和HT3的IPF图和(b)大小角度晶界及孪晶界分布图;(c) 粒度分布直方图和(d)晶界取向差折线图

HT1和HT2的垂直和水平试样的晶界取向差大多在2°<θ<15°范围内,属于低角度晶界(LAGBs)。HT3试样的高角度晶界(HAGBs,θ>15°)和孪晶界的比例显著增加(~ 60% <111>60°孪晶界(TBs))。
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图2 经调控处理的微观组织形貌
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图3(a,c)HT3试样δ、γ′和γ′′相的TEM BF图像;(b,d)高温持久试验前HT3试样δ、γ′和γ′′相的HRTEM和FFTs图像

在HIP处理下,枝晶间的Laves相在高温下会溶入基体,释放出大量Nb元素;在高温下,由于元素的扩散功率大,Nb元素的分布较为均匀。这导致时效处理产生的γ′′相显著增加,图3(c),(d)是HT3样品的TEM BF和HRTEM图像,显示具有BCC (DO22)晶体结构的γ′′-Ni3Nb相。

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图4(a)高温持久试验后HT1、HT2和HT3的水平和垂直试样沿拉伸方向的横截面的SEM图像;(b)裂纹长度分布的叠加直方图和(c)平均裂纹长度及标准偏差

微观结构上,所有试件均出现典型的微孔聚集破坏机制。垂直于加载方向的材料分离在各试件中均有发生,但分离程度不同。图4(b)和(c)量化了在持久断裂截面中观察到的所有裂纹特征。

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图5(a)HT2、(b)HT1和(c)HT3水平和垂直试样的裂纹萌生扩展差异示意图

研究结果表明:
HT1、HT2和HT3试样的高温持久寿命差异率分别为72.5%、116.3%和32.1%。高温持久性能的各向异性随着水平方向和垂直方向上裂纹萌生点数量之差的减小而减小。

对于基本保留打印微观结构的试样,沿应力方向不同熔池类型数量的差异是主要影响因素。对于同时含有大量δ相及柱状晶粒的试样,沿应力方向的横向晶界数量和长度差异是决定其高温持久各向异性的主要因素。对于含有大尺寸等轴晶的试样,晶粒均匀度和潜在晶界缺陷可能是影响高温持久寿命各向异性的决定性因素。

文:何思逸。感谢论文作者团队对本文的大力支持。


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