ACTA: 抑制激光增材制造的镍基高温合金热裂纹的新合金设计方法

来源：金属增材制造

避免裂纹形成以确保可靠的打印性和良好的稳定性是激光增材制造合金的关键。与以往普遍尝试减少液膜和凝固范围的研究不同，本研究创新性地利用偏析工程和丰富的胞界引入液相回填以及偏析相网络，以缓解热应力，从而消除热裂纹。具体而言，通过在镍基高温合金中引入锆，在激光增材制造过程中形成连续的枝晶间液膜。研究发现，当锆含量达到1 wt.%时，连续金属间化合物Ni₁₁Zr₉偏析相修饰胞界，Haynes 230合金的打印样品中裂纹完全消除。此外，这种连续的Ni₁₁Zr₉网络层可作为“骨架”显著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合金表现出优异的强塑性组合，优于先前报道的Haynes 230合金。这些发现为激光增材制造无裂纹且具有优异力学性能的合金提供了新的合金设计路线。

创新方法与解决的问题：
本研究通过偏析工程策略，在激光增材制造镍基高温合金中引入锆元素，利用其低分配系数在枝晶间和胞界形成连续液膜及Ni₁₁Zr₉偏析相网络。该方法通过液相回填缓解热应力，并利用偏析相的塑性变形协调残余应变，从而解决了传统镍基高温合金在快速凝固过程中因液膜扩展和热应力集中导致的热裂纹问题。

Fig.1.
(a) 沿构建方向（BD）的原始（0 wt.% Zr）和Zr改性Haynes 230（1 wt.% Zr）样品的光学显微镜（OM）图像。（b）断口胞界特征证实原始样品存在热裂纹。原始Haynes 230样品的微观结构特征：
(c) 沿BD的电子背散射衍射（EBSD）反极图（IPF），显示裂纹沿柱状晶界扩展（箭头所示）；
(d) 胞界装饰的纳米颗粒；
(g) 固态晶粒的亮场TEM图像；
(h) (g)中Ni₂W₄C颗粒的选区电子衍射（SAED）图样。
Zr改性Haynes 230样品的微观结构特征：
(e) 胞界连续网络析出物；
(f) 沿BD的EBSD IPF图；
(i) 固态晶粒的亮场TEM图像；
(j) (i)中金属间化合物Ni₁₁Zr₉相的SAED图样。

Fig.2.
(a) 原始和Zr改性Haynes 230合金的Scheil-Gulliver凝固曲线。（b）原始和Zr改性Haynes 230合金在30°C至1450°C加热过程中的差示扫描量热法（DSC）结果。（c）不同Zr含量打印样品的X射线衍射（XRD）图谱。（d）样品XRD（220）和（200）衍射峰强度比随Zr含量的变化关系。插图提供通过sin²ψ法计算的残余应力值。

Fig.3.
LPBF制造的Haynes 230样品的代表性OM和SEM图像，分别含有：
(a,e) 0 wt.%，
(b,f) 0.5 wt.%，
(c,g) 1 wt.%，
(d,h) 1.5 wt.% Zr。黄色箭头指示晶界。

Fig.4.
原始和Zr改性Haynes 230样品的打印微观结构。
(a,d) 横向和纵向胞微结构的亮场TEM图像（〈011〉带轴）；
(b,e) 分别对应(a)和(d)的HRTEM图像；
(c) Ni₁₁Zr₉相的高分辨率TEM图像；
(f) (c)中标记区域的逆傅里叶变换（IFFT）图像。

Fig.5.
(a,b) 热处理后原始和Zr改性Haynes 230样品的SEM图像概览。（c）TEM图像显示纳米析出相在胞和晶界均匀分布。（d）TEM图像显示(a)中晶界析出相的详细微观结构。（e）Ni、W、Cr、Zr、Mo和C的EDS图谱。（f）(c)中标记的ZrC颗粒的SAED图样。

Fig.6.
(a) 打印态和热处理后Zr改性及原始Haynes 230合金的工程应力-应变曲线。（b）LPBF制造的Haynes 230合金、先前报道的锻造Haynes 230合金及本研究中样品的屈服强度-延伸率数据总结。

Fig.7.
TEM和SEM图像显示Zr改性Haynes 230样品拉伸变形后的微观特征：
(a) 打印态样品中位错在Ni₁₁Zr₉界面堆积；
(b) ZrC颗粒周围位错堆积；
(c) 打印态样品的胞/晶内撕裂断口形貌；
(d) 热处理后样品的韧窝断口形貌。

结论
本研究通过偏析工程策略，在激光增材制造镍基高温合金中引入锆元素，成功实现了无裂纹打印。Zr的添加促使枝晶间形成连续Ni₁₁Zr₉液膜和网络化金属间化合物，有效缓解了热应力并抑制裂纹扩展。热处理后，Ni₁₁Zr₉相溶解并转变为均匀分布的ZrC纳米颗粒，显著改善了合金的强塑性协同效应。该研究为激光增材制造无裂纹且具有优异力学性能的合金提供了新思路。

文献链接
Zhao, Y., Ma, Z., Yu, L., & Liu, Y. (2023). New alloy design approach to inhibiting hot cracking in laser additive manufactured nickel-based superalloys. Acta Materialia. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118736