西工大蘇海軍教授團隊：激光3D打印金屬基復合材料新進展-引入CrFeNb異質形核實現鎳基高溫合金復合材料晶粒細化和力學性能的協同提升

第一作者：楊培鑫

通訊作者：蘇海軍

通訊單位：西北工業大學凝固技術國家重點實驗室; 西北工業大學深圳研究院

DOI：https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.11.248

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近日，西北工業大學蘇海軍教授團隊報道了通過引入CrFeNb異質形核劑，實現鎳基高溫合金復合材料晶粒細化和力學性能的協同提升。研究表明，異質成核中心的CrFeNb顆粒有效地促進了等軸晶晶粒的細化，并且未引入顯著的殘余應力。經熱處理后IN718+4wt% CrFeNb復合材料的應力集中明顯降低，晶粒取向不是沿著單一的<001>，而是趨于隨機取向。沉積態IN718+4wt% CrFeNb的晶粒尺寸相比于沉積態IN718減小，平均粒徑為13.46 μm。在熱處理過程中，未熔化的CrFeNb顆粒溶解并擴散到γ基體中。另外還發現硬脆相沿晶界，且富含Nb和Mo元素。在三種強化機制的共同作用下，沉積態IN718+4wt% CrFeNb復合材料在室溫下的力學性能得到了明顯改善，熱處理后的屈服強度、抗拉強度和硬度分別達到1194MPa、1426MPa和521HV。    

2 研究背景

IN718以其優異的機械性能、高溫抗氧化性、-253~650℃抗蠕變性等特點，已在航空航天工業中得到廣泛應用。目前IN718是航空航天領域中溫關鍵零件應用最廣泛的材料之一。激光粉末床熔融(LPBF)作為一種廣泛應用的激光增材制造技術，具有效率高、易于制備復雜零件等特點。它極大地促進了關鍵部件的高效制備，已成為當前的研究熱點。LPBF過程中產生的快速冷卻速率和高熱梯度導致了多類型裂紋和氣孔的產生。因此，有必要在原始合金粉末中加入了少量高熔點顆粒，作為異質成核點，促進更細小晶粒的形成，進而提升材料的性能。研究表明，CrFeNb對傳統鑄造IN718的晶粒細化有積極作用，然而CrFeNb在LPBF過程中對IN718的影響機制仍不清楚，需進一步探索。

3 本文亮點

利用激光粉末床熔融技術一步成形IN718/CrFeNb復合材料，并對其進行熱處理，實現復合材料激光增材制造微觀組織、力學性能的協同提升，進一步拓展鎳基高溫合金復合材料激光增材制造的工程化應用范圍。

4 圖文解析

不完全熔化的CrFeNb顆粒分布在熔池內部和與其相鄰沉積層中。Cr、Fe和Nb三種元素的質量分數分別為29.36 wt.%、30.30 wt.%和40.34 wt.%。如圖1(c)所示CrFeNb顆粒周圍觀察到五種不同的晶粒形態，CrFeNb顆粒的邊緣已經熔化，出現了一個寬度約為2.5μm的擴散層，證明CrFeNb在LPBF凝固過程中作為形核位點促進了異質形核。由于激光掃描為逐層旋轉90°，微觀組織呈現出柱狀晶粒和等軸晶粒交替分布。如圖1(e)所示，CrFeNb（白色區域）周圍出現了不同取向的小晶粒，表明晶粒形核和生長僅發生在CrFeNb顆粒的表面。另外，從圖1(f)中觀察到，CrFeNb附近的殘余應力沒有顯著增加，說明CrFeNb的加入未引入額外的殘余應力。    

圖1. 白色顆粒的宏觀形態(a)和對應的EDS成分分布(b)以及沉積態IN718/CrFeNb復合材料的SEM圖(c,d)、EBSD圖(e)及相應的KAM圖(f)

在高激光能量密度下，一部分CrFeNb發生熔化，而熔化的CrFeNb不能作為異質形核的位點。為了充分發揮CrFeNb的異質形核作用，需加入更多質量分數CrFeNb，如2wt%，甚至4wt%。從圖2(a)中可以看出熔池交疊區的晶粒尺寸較小，而熔池中心區的晶粒較大。另外，還發現殘余應力主要存在于熔池交疊區(圖2(a1))。加入4wt%的CrFeNb后，發現殘余應力明顯降低，且分布相對均勻。細晶粒的體積分數明顯增加，晶粒數量從80個增加到164個，平均粒徑從17.54 μm減小到13.46 μm (圖2(e))。    

圖2 通過激光粉末床熔融成形的沉積態IN718試樣(a-b1)和沉積態IN718+4wt% CrFeNb試樣(c-d1)的EBSD圖和KAM圖。(a,c)和(b,d)分別顯示橫截面和縱截面; 1顯示了相應試樣的KAM圖;(e)平均粒徑的統計及分布; (f)沿著生長方向IPF圖

在熱處理過程中發生再結晶，晶粒尺寸變小，小尺寸晶粒的數量明顯增加，但在小尺寸晶粒中仍然分布著一些大尺寸晶粒。熱處理后IN718+4wt% CrFeNb試樣發生了完全再結晶，晶粒明顯細化。如圖3(d)中白色晶界線所示，經熱處理的IN718+4wt% CrFeNb試樣的晶粒內部出現了許多亞晶界。另外，還發現熱處理后IN718+4wt% CrFeNb試樣的晶粒取向不是沿<001>單一方向，而是隨機分布的(圖3(d和e))。雖然熱處理未完全消除殘余應力，但分布更加均勻，應力集中較小。對再結晶的驅動力進行了深入分析，主要有3個原因。首先是沉積態IN718+4 wt% CrFeNb試樣中的殘余應力為再結晶提供了驅動力。其次，含有CrFeNb區域在高溫下迅速膨脹，而其他區域在低溫下膨脹較小，導致壓縮應力和拉伸應力的相互作用以及熱應力的產生。在較高溫度下進行固溶處理會釋放熱應力，這為再結晶提供了部分驅動力。第三，CrFeNb和γ基體之間雖然有較低的晶格錯配度，但還存在錯配應力，再結晶過程提供一部分驅動力。    

圖3. 經過熱處理的激光粉末床熔融成形IN718試樣(a,b)和IN718+4wt% CrFeNb試樣(d,e)的EBSD圖. (a,d)和(b,e)分別顯示橫截面(TD)和縱截面(BD), (c,f)分別表示相應的極圖

圖4.通過激光粉末床熔融成形的沉積態IN718+4wt% CrFeNb試樣(a-c)和熱處理后IN718+4wt% CrFeNb試樣 (d-f)的TEM圖.(b)為(a)對應的EDS圖; (e)為(d)部分區域的HRTEM圖; (f)為(e)中界面的SAED圖.    

如圖4(a)和(b)所示，沉積態IN718+4 wt% CrFeNb的晶界處存在大塊碳化物((Nb,Ti)C)。由于加入了CrFeNb，熔化的Cr、Fe、Nb元素溶于基體中，因此在沉積態IN718+4 wt% CrFeNb試樣中觀察到少量針狀δ相(Ni₃Nb)，尺寸為70∼120 μm。在熱處理過程中，CrFeNb發生分解，透射電鏡中沒有觀察到CrFeNb顆粒的存在。另外，還析出了大量的γ²相，盤狀γ²相的長度為30~70 nm。

室溫下的應力-應變曲線結果如圖5(a)所示，沉積態IN718+4wt% CrFeNb的屈服強度和抗拉強度分別達到802MPa和1119MPa，分別高于IN718的19.3%和16.3%。熱處理態IN718+4wt% CrFeNb的屈服強度和抗拉強度進一步提高，分別達到1194 MPa和1426 MPa。并分析了晶界強化、位錯強化和載荷強化3種強化機制對室溫拉伸性能的貢獻。結果表明，本研究的結果高于采用LPBF和傳統技術制造的其他顆粒添加的鎳基高溫合金復合材料，如圖5(b)所示。另外，沉積態IN718+4wt% CrFeNb的硬度提高到366 HV，高于沉積態IN718的17.3%。經熱處理后，IN718+4wt% CrFeNb (521 HV)的硬度比IN718 (484 HV)增加了37 HV。

圖5 (a) 通過激光粉末床熔融成形的IN718與IN718+4wt% CrFeNb在室溫下的應力-應變曲線；(b)與文獻報道的使用激光粉末床熔融和鑄造/鍛造技術制備的IN718復合材料對比

5 結論展望    

本文通過向IN718高溫合金中添加4wt%的CrFeNb，發現CrFeNb作為異質形核位點有效地細化了晶粒尺寸，平均晶粒尺寸從17.54 μm減小到13.46 μm，殘余應力明顯減弱。熱處理后，CrFeNb顆粒溶解并擴散到γ基體中，沿晶界形成富含Nb和Mo元素的新相。熱處理后IN718+4wt% CrFeNb試樣的屈服強度和抗拉強度分別提高到1194 MPa和1426 MPa。此外，熱處理后IN718+4wt% CrFeNb試樣的硬度達到521 HV。沉積態IN718+4wt% CrFeNb的斷裂模式為延性斷裂，而熱處理態IN718+4wt% CrFeNb斷裂模式為混合斷裂，以脆性斷裂為主。熱處理過程強化相與新相的析出，阻礙了二次裂紋的擴展，僅為59 mm。研究結果擴大了高性能添加顆粒IN718復合材料的成分設計范圍，加速其在航空航天工程領域的工程化應用。

6 課題組簡介

蘇海軍，西北工業大學長聘二級教授、博士生導師。國家“萬人計劃”科技創新領軍人才，國家優秀青年科學基金獲得者，中國有色金屬創新爭先計劃獲得者。入選國家首批“香江學者”計劃、陜西省“青年科技新星”、陜西省冶金青年科技標兵、陜西省金屬學會優秀科技工作者，擔任陜西高校青年創新團隊學術帶頭人、陜西重點科技創新團隊帶頭人和先進高溫合金陜西省高校重點實驗室主任。長期從事先進定向凝固技術與理論及新材料研究，涉及高溫合金、超高溫復合陶瓷、半導體復合材料、有機薄膜太陽能電池、生物醫用陶瓷材料，以及定向凝固和激光增材制造技術與理論等。主持包括國家重點研發計劃項目，國家自然基金重點、優青等7項國家基金在內的30余項國家及省部級重要科研項目，在Nano Energy，Advanced Functional Materials，Nano Letters，Composites part B: Engineering，Additive manufacturing等眾多知名期刊發表SCI論文200余篇。擔任中國有色金屬學會青年工作委員 會副主任委員、中國機械工程學會材料分會委員會委員、陜西省金屬學會副理事長、陜西省有色金屬學會副理事長，以及陜西省納米科技學會常務理事。獲授權中國發明專利60余項以及3項美國發明專利。參編專著3部。獲陜西省科學技術一等獎、二等獎，中國交通運輸協會科學技術二等獎，寧波市科技進步一等獎，陜西高校科學技術研究優秀成果特等獎，陜西省冶金科學技術一等獎，全國有色金屬優秀青年科技獎和陜西青年科技獎等多項獎勵。    

7 引用本文

Peixin Yang, Haijun Su^*, Quandong Hu,Yinuo Guo, Zhonglin Shen, Xiang Li, Hao Jiang, Minghui Yu, Xinquan Ji, Zhuo Zhang, Min Guo. Laser additive manufacturing of CrFeNb particles reinforced Ni-based superalloy composites with grain refinement and superior performance. Journal of Materials Research and Technology, 2024, 33: 9630-9640.