供稿人：汪靖、王富 供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2022-06-13
單晶鎳基高溫合金(SX)在處于90%的材料熔點溫度時，仍具有優(yōu)異的力學(xué)性能，因而被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機的熱端部件，如發(fā)動機葉片。在高溫狀態(tài)下進行運轉(zhuǎn)，這些部件會遭受各種損傷，包括蠕變、腐蝕和氧化，損壞部件的更換會增大材料和時間成本。增材制造技術(shù)的使用，既可以滿足渦輪葉片的復(fù)雜的幾何設(shè)計，也可以確保翻新的可能性。電子束粉末床熔融（EB-PBF）技術(shù)是目前工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的方法之一。
法國普瓦捷研究所的Luciana等人為了研究采用EB-PBF技術(shù)制造的單晶鎳基高溫合金的耐疲勞性，以Bridgman定向凝固方法制作的CMSX-4合金試樣和ERBO/1合金試樣、采用EB-PBF打印CMSX-4合金粉末而制作的試樣為研究對象，研究不同工藝下的高溫合金的耐疲勞性，在完全反轉(zhuǎn)條件R_ε=-1、f=20kHz和1000℃的條件下進行了超高周疲勞（VHCF）的相關(guān)實驗，制造完成后EB-PBF試樣的組織以及其他試樣微觀組織如圖1所示。
圖1.(a)EB-PBF SX 12 mm方形棒材微觀結(jié)構(gòu)詳圖，定向凝固的CMSX-4的γ/γ'微觀結(jié)構(gòu)在(b)一次枝晶臂和(c)枝晶間距中被觀察到，定向凝固的ERBO/1合金的(d)一次枝晶臂和(e)枝晶間距，EB-PBF制備的CMSX-4合金經(jīng)(f)標(biāo)準(zhǔn)熱處理以及(g) HIP熱處理。
通過研究，可以得到疲勞實驗的結(jié)果如圖2所示，常規(guī)的Bridgman法制作的試樣均未能完成VHCF，因為常規(guī)制造過程中容易產(chǎn)生氣孔等缺陷，這些缺陷易引發(fā)整體的斷裂，EB-PBF制備的試樣在1000℃的VHCF下表現(xiàn)非常好，前提是它們沒有圖3所示的缺陷，即它們是單晶。與無缺陷試樣相比，大角度晶界/雜晶的存在會導(dǎo)致超高周疲勞壽命的顯著降低（超過30年），當(dāng)試樣中不存在缺陷時，EB-PBF加工試樣的超高周疲勞壽命與Bridgman定向凝固的鎳基高溫合金的壽命相當(dāng)或者略高。
圖2. 交變應(yīng)力（σ_a）作為失效循環(huán)次數(shù)（Nf）函數(shù)的實驗結(jié)果圖
圖3.兩個帶有表面裂紋的EB-PBF處理樣品示例，紅色和黃色箭頭分別表示垂直和平行于加載軸的裂紋。
通過對EB-PBF技術(shù)制造的單晶鎳基高溫合金的高周疲勞性進行研究，驗證了EB-PBF試樣優(yōu)秀的疲勞耐久性能，使增材制造高溫合金零部件的批量化工業(yè)應(yīng)用成為可能。