哈尔滨工业大学《Scripta Materialia》增材制造强<101>织构热稳定钴基高温合金！

来源：材料学网

导读：钴基γ′强化高温合金在发电设备和航空航天工业等众多领域显示出巨大的潜力。激光粉末床熔合技术的特点与高温合金强织构或单晶组织的要求相吻合。然而，由于不可避免的再结晶，后热处理工艺往往会破坏打印件的初始组织。在本研究中，我们在打印的Co-5Al-14V (at.%)三元钴基高温合金中获得了强<101>织构，这在镍基高温合金中很难实现。有趣的是，这种<101>织构即使在接近γ′溶剂温度的时效处理后仍保持热稳定。因此，获得了具有均匀分布的γ′(L12)相的<101>织构组织，有利于提高高温蠕变性能。本研究所揭示的独特的微观结构特征，将有利于钴基高温合金的发展，并为其他LPBF制造的高温合金的微观结构工程提供指导。

由于钴基合金的熔点比传统的镍基合金高40°C，因此对高温合金更高工作温度的追求导致了钴基合金的探索。钴基高温合金具有强大的织构或类似单晶的结构，这为其提供了几个优点，包括耐高温蠕变和抗低周疲劳性能的提高。这种强织构或单晶结构可以通过定向凝固等传统制造方法来实现。激光粉末床熔融(laser powder bed fusion, LPBF)技术作为最有前途的高质量金属增材制造方法之一，由于激光热源与印刷基材之间的温度梯度，可以直接打印出具有明显柱状晶粒和强烈纹理的部件。
大量研究证明，调整LPBF的工艺参数可以导致纹理变化。面心立方(FCC)的晶体结构呈现沿<100>轴。因此，谷物的生长方式与它们的<100>取向与热流方向一致。模拟结果表明，与传统镍基高温合金的<001>结构相比，<111>和<101>具有更好的耐高温蠕变性能。同时，实验结果也证明：与<001>织构相比，<111>结构可以提高高温蠕变性能。然而，在高温固溶处理和时效过程后，LPBF制造的对偶件要保持强烈的织构结构是一个巨大的挑战。由于LPBF过程中极端热循环带来的高位错密度，这些印后过程通常会导致再结晶，导致材料晶体取向的随机化，并破坏固有的首选取向。如图S1所示，在打印的Co-5Al-14V样品中存在高密度位错。最近，我们开发了一种具有高溶剂温度的新型Co - Al - V基高温合金。900℃时Co-Al-V三元体系的等温切面图(图1a)显示，与典型的Co-Al-W三元体系相比，Co-Al-V三元体系的γ/γ′两相组成区域相对较宽。这种广泛的成分范围为添加其他合金元素提供了有利条件，为该系列高温合金的未来发展带来了机遇。在本研究中，我们选择了碱性三元合金Co-5Al-14V (at.%)进行打印并进行了显微组织研究。我们的研究表明，这种新型钴基高温合金系列可以实现高强度的<101>织构沿建筑方向，这是传统镍基高温合金不易形成的特征。Co-5Al-14V合金在900℃时效24h后，我们发现:尽管该温度接近964°C的γ溶剂温度，但织构仍然非常稳定。利用这种稳定的织构，我们获得了均匀分布的γ′相，同时保留了<101>900°C直接时效，织构取向强。这些发现突出了新型钴基高温合金在LPBF工艺中的独特优势，并强调了它们在LPBF形成的单晶结构发展方面的巨大潜力。

哈尔滨工业大学理学院的郑忠教授团队对此进行了研究，相关研究成果以题为“Thermally stable strong <101> texture in additively manufactured cobalt-based superalloys”发表在期刊Scripta Materialia上。

链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1359646223006632

图1所示。900℃富钴区Co-Al-V三元体系等温切面图。(b) Co-5Al-14V (at.%)粉末的球形形貌。(c)粉末粒度分布。(d)粉末中Co、Al、V元素的能谱图。(e)扫描策略图。

图2所示。(a)铸态样品的典型三维金相形貌;(b)-(c)铸态试样900℃时效24 h的SEM显微图;(d)打印样品的典型三维金相形貌;(e) - (f)打印样品在900℃下时效24 h的SEM显微图;(g) (h)打印样品的XY侧和YZ侧的IPF。(i) (j) lpbf制备样品的XY侧和YZ侧IPFs分别在900°C下时效24 h。(k) (j) LPBF制备的样品在1050°C固溶1h和900°C时效24h后的XY和YZ侧IPFs。(Z为建筑方向)

图3所示。(a)打印样品的XY侧和YZ侧的极点图(PFs)。(b)制备的LPBF样品的XY侧和YZ侧的PFs分别在900°C下时效24 h。(c) 1050℃固溶12 h、900℃时效24 h后lpbf制备样品的XY、YZ侧IPFs;(d)打印样品优选取向示意图;(e)打印样品900℃时效24 h优选取向示意图。

图4所示。不同热处理条件下LPBF样品的XRD谱图。

图5所示。(a) 900℃时效24 h LPBF制备样品的TEM亮场(BF)图像;(b)选择面积电子衍射(SAED);(c) TEM-EDS图，Co, Al, V;(d)(e)跨FCC-L12间相区域的TEM-EDS线扫描。

综上所述，我们采用激光粉末床熔合技术制备了最近开发的Co-Al-V系列钴基高温合金，该合金具有很大的发展潜力。具体发现如下:
(1)我们报告了强劲的<101>LPBF制备的新型钴基高温合金具有织构结构，这是传统镍基高温合金难以获得的。< 101>织构甚至可以在接近γ′溶质温度时保持热稳定。
(2)利用LPBF形成的试样具有良好的成分均匀性，我们成功地获得了γ′相的均匀分布，而无需直接应用时效工艺进行固溶处理。因此，我们得到的组分既表现出γ′相的均匀沉淀，又能表现出强烈的<101>纹理。
(3)在LPBF制备的Co-5Al-14V高温合金的初次再结晶过程中，会发生晶粒旋转，但强的<101>纹理在建筑方向上可以保持稳定。这些发现为LPBF形成的强织构或单晶γ′强化高温合金的发展提供了新的见解。
本研究的透射电镜分析由中材材料研究所(广州)有限公司(SIMR)支持。作者也要感谢来自Shiyanjia实验室(www.shiyanjia.com)的Kehui Han提供的EBSD分析。