金屬3D打印（增材制造）在近30年前還只是個(gè)概念，但由于該方法精密制造的可行性，在近些年已經(jīng)在各領(lǐng)域逐漸步入應(yīng)用階段。其中，高溫合金有巨大潛力。這類合金主要應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片，其服役條件極為苛刻——高溫高應(yīng)力且伴隨腐蝕和氧化。高溫合金葉片多年來一直使用精密脫蠟鑄造，但其過程過于冗長，且面臨著薄壁等技術(shù)難題的根本性挑戰(zhàn)。因此增材高溫合金對(duì)（超）復(fù)雜結(jié)構(gòu)的部件有著極強(qiáng)的顛覆性。

當(dāng)然，增材高溫合金也面臨諸多挑戰(zhàn)。其中使用激光粉床等方法時(shí)，由于局部降溫速度過快，其微觀組織很可能處于非穩(wěn)態(tài)。對(duì)于依賴強(qiáng)化相來優(yōu)化性能的高溫合金來講，傳統(tǒng)熱處理方案很可能不再完全適用——畢竟不同加工路徑下的初始組織已截然不同。更行之有效的熱處理設(shè)計(jì)方案有待開發(fā)，這無疑需要深入的基礎(chǔ)研究。

近期，來自牛津大學(xué)，伯明翰大學(xué)，鉆石光源同步輻射中心，英國國家物理實(shí)驗(yàn)室等單位的研究人員對(duì)增材高溫合金進(jìn)行多尺度研究。該研究側(cè)重同步輻射光源原位衍射（S-XRD），并通過大量的原子探針（APT），高角度環(huán)形暗場(chǎng)電鏡（HAADF-STEM），納米二次離子質(zhì)譜（Nano-SIMS）和電阻率實(shí)驗(yàn)來觀測(cè)高溫合金在不同溫度下的反應(yīng)，從而總結(jié)出初始增材條件下高溫合金組織在加熱條件中的演化，并在此基礎(chǔ)上對(duì)新熱處理策略提出新思路。該研究發(fā)表在增材制造頂刊《Additive Manufacturing》，本文第一作者兼通訊作者為牛津大學(xué)湯元博博士。

原文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860423000027

該研究首先著重表征了一種新型高溫合金ABD-900AM的增材初始態(tài)，通過同步輻射衍射，原子探針，高分辨（掃描）透射電鏡等工具，確認(rèn)其初始態(tài)的伽馬一撇強(qiáng)化相被完全抑制形核，其初始態(tài)為過飽和伽馬基體。其主元素偏析程度極低，不過碳、硼、硫的辨析明顯且已經(jīng)變成化合物。對(duì)于高溫合金而言，這是一個(gè)嶄新的起點(diǎn)，因?yàn)橥ㄟ^鑄造，鍛造，粉末冶金成型的高溫合金的初始態(tài)都是伽馬一撇與伽馬基體雙相。傳統(tǒng)的均勻化處理可能不再是必要過程——初始態(tài)幾乎是完美的均勻態(tài).

在此基礎(chǔ)上，研究人員對(duì)該材料進(jìn)行熱處理并使用原位同步輻射衍射來測(cè)量伽馬一撇強(qiáng)化相的衍化。該合金在740度左右開始有明顯的體積分?jǐn)?shù)增長，而從亞固溶溫度降溫后，可明顯看到體積分?jǐn)?shù)的第二波增長。前一波的強(qiáng)化相來自加熱，而第二波的來自降溫。更值得一提的是，首次在加熱中形核的伽馬一撇具有很高晶格常數(shù)，相應(yīng)的晶格失配極高（約十倍于同類合金），而隨著保溫一小時(shí)，晶格失配回歸正常水平。原子探針數(shù)據(jù)顯示，兩相在保溫的開始與結(jié)束都經(jīng)歷了元素變化，這可能是晶格失配的主要原因。而后，電阻率測(cè)試在加熱過程中發(fā)現(xiàn)最早的電阻率明顯變化出現(xiàn)在500度上下，伽馬基體的晶格常數(shù)在這個(gè)溫度范圍也有微小變化，這預(yù)示著可能最開始的強(qiáng)化相形核很可能出現(xiàn)在這個(gè)溫度范圍。

另外，該研究還發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱處理溫度足夠高可以導(dǎo)致靜態(tài)再結(jié)晶，而再結(jié)晶溫度可能需要遠(yuǎn)超于一般認(rèn)為的固溶溫度，這被認(rèn)為與材料中納米級(jí)氧化鋁的生成導(dǎo)致，因此回收的金屬粉末可能會(huì)需要更高的再結(jié)晶溫度。

圖2：ABD900AM合金在不同條件下的碳、硼、硫、氧的表征。其中初始態(tài)中硼有明顯元素偏析，碳硼硫都產(chǎn)生了化合物，氧含量則非常均勻。

圖3：ABD900AM和ABD850AM合金在亞固溶和過固溶熱處理的原位同步輻射光源衍射

本文結(jié)尾處還特別討論了熱處理增材高溫合金的新策略，其中包括可以避免或大幅度縮短的均勻化處理；亞固溶處理中加熱速率把控的重要性；過固溶對(duì)于降低位錯(cuò)密度以及各向異性的貢獻(xiàn)等。誠然，對(duì)于增材高溫合金而言，新的熱處理方案有潛力進(jìn)一步優(yōu)化部件的服役表現(xiàn)。