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?西南交大徐軼團隊：增材制造高溫合金力學性能達到鍛件水平！

2022-11-21 15:14:49 作者：材料基來源：材料基分享至：

眾所周知，當前的航空航天制造業需要越來越復雜的結構設計。采用傳統制造方法加工具有復雜內外輪廓的高溫合金零件，時間成本高，復雜度高，甚至有些零件無法制造。增材制造（AM）的快速發展為滿足結構復雜、多品種、小規格的高端零部件制造提供了可能性。對于金屬增材制造，選擇性激光熔化（SLM）具有良好的前景和潛力。SLM目前已成為IN718高溫合金復雜結構零件高精度制造的關鍵候選技術。

SLM Inconel 718高溫合金的顯微組織與傳統鍛造和鑄造有很大不同。在激光能量密度高、激光運動極快且與合金粉末相互作用時間短的常規SLM制造中，大的溫度梯度是不可避免的。由于IN718合金是面心立方（FCC）金屬，上述有利的凝固方向和大的溫度梯度導致<100>方向織構和平行于構建方向的柱狀結晶，容易造成微觀結構的各向異性，從而影響部件整體的機械性能。

且由于Inconel 718高溫合金長期應用于高溫和高應力的環境中，由于蠕變導致的微觀結構損傷，將導致Inconel 718高溫合金失效。對于SLM Inconel 718高溫合金的高溫持久各向異性的研究相對較少，不同晶體結構和析出相對高溫持久各向異性的影響，仍需要進一步的深入研究。

西南交大徐軼團隊與空軍裝備部首席專家/天府科技菁英郭雙全團隊聯合研究，通過后處理調控不同構建方向試樣的晶體結構和析出相特征，同時在650℃和690MPa下測試了SLM Inconel 718高溫合金試樣的持久性能，研究討論了晶體結構和析出相與高溫持久各向異性的關系，并就相關研究成果在2022年歐洲高溫合金年會做了交流報告。

同時，相關論文以題為“Anisotropic Stress Rupture Properties-Microstructure Relationships in SLM Inconel 718 Alloy”刊登在金屬材料領域高水平期刊Metallurgical and Materials Transactions A?；诖隧椆ぷ鳎M一步對SLM Inconel 718高溫合金進行組織結構調控后，在無熱等靜壓條件下，大幅降低各向異性，室溫拉伸，高溫拉伸和高溫持久等性能已全面達到鍛件技術要求。論文第一作者為碩士研究生何思逸，通訊作者為徐軼特聘研究員。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1007/s11661-022-06872-2

圖1（a）應力斷裂下 HT1、HT2和HT3的IPF圖和（b）大小角度晶界及孿晶界分布圖；（c）粒度分布直方圖和（d）晶界取向差折線圖

HT1和HT2的垂直和水平試樣的晶界取向差大多在2°<θ<15°范圍內，屬于低角度晶界(LAGBs)。HT3試樣的高角度晶界(HAGBs，θ>15°)和孿晶界的比例顯著增加(~ 60% <111>60°孿晶界(TBs))。

圖2 經調控處理的微觀組織形貌

圖3（a，c）HT3試樣δ、γ′和γ′′相的TEM BF圖像；（b，d）高溫持久試驗前HT3試樣δ、γ′和γ′′相的HRTEM和FFTs圖像

在HIP處理下，枝晶間的Laves相在高溫下會溶入基體，釋放出大量Nb元素；在高溫下，由于元素的擴散功率大，Nb元素的分布較為均勻。這導致時效處理產生的γ′′相顯著增加，圖3(c)，(d)是HT3樣品的TEM BF和HRTEM圖像，顯示具有BCC (DO₂₂)晶體結構的γ′′-Ni3Nb相。

圖4（a）高溫持久試驗后HT1、HT2和HT3的水平和垂直試樣沿拉伸方向的橫截面的SEM圖像；（b）裂紋長度分布的疊加直方圖和（c）平均裂紋長度及標準偏差

微觀結構上，所有試件均出現典型的微孔聚集破壞機制。垂直于加載方向的材料分離在各試件中均有發生，但分離程度不同。圖4(b)和(c)量化了在持久斷裂截面中觀察到的所有裂紋特征。

圖5（a）HT2、（b）HT1和（c）HT3水平和垂直試樣的裂紋萌生擴展差異示意圖

研究結果表明：

HT1、HT2和HT3試樣的高溫持久壽命差異率分別為72.5%、116.3%和32.1%。高溫持久性能的各向異性隨著水平方向和垂直方向上裂紋萌生點數量之差的減小而減小。
對于基本保留打印微觀結構的試樣，沿應力方向不同熔池類型數量的差異是主要影響因素。對于同時含有大量δ相及柱狀晶粒的試樣，沿應力方向的橫向晶界數量和長度差異是決定其高溫持久各向異性的主要因素。對于含有大尺寸等軸晶的試樣，晶粒均勻度和潛在晶界缺陷可能是影響高溫持久壽命各向異性的決定性因素。

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