供稿人：寧帥、魯中良 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2024-04-08
金屬增材制造，也稱為金屬3D打印，在復(fù)雜的整體組件制造、輕量化工程和材料利用方面，比傳統(tǒng)的減法制造技術(shù)具有巨大優(yōu)勢(shì)。在合金的激光增材制造中，避免裂紋的形成以確保可靠的可打印性和良好的穩(wěn)定性至關(guān)重要。
以往的研究通常試圖縮小液膜和凝固范圍來消除裂紋；與此相反，天津大學(xué)馬宗青團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地利用了偏析工程和豐富的細(xì)胞邊界來引入液體回填以及偏析相網(wǎng)絡(luò)，以減輕熱應(yīng)力，從而消除熱裂紋。更具體地說，在激光增材制造過程中，鋯被引入到鎳基超合金中以形成連續(xù)的樹枝狀間液膜。
研究者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Zr含量達(dá)到1wt.%時(shí)，連續(xù)的金屬間Ni11Zr9 偏析相裝飾了晶胞邊界，并且在按原樣打印的 Haynes 230合金中完全消除了裂紋，如圖1所示。很明顯，隨著晶胞和晶粒邊界的 Ni11Zr9 含量增加，裂紋密度降低，因此可以推斷晶胞和晶粒邊界的液體體積分?jǐn)?shù)隨著Zr含量的增加而增加。隨著Zr含量增加到0.5 wt.%，盡管與原始（0 wt.%Zr）樣品相比沉淀物的比例增加（圖1e），沉淀物仍然主要以層狀形態(tài)分布在晶界處（圖1f）。尤其是晶界處的孤立析出物與凝固過程中的局部液膜相對(duì)應(yīng)，如圖1f中箭頭所示，形成了一個(gè)剪切強(qiáng)度較低的區(qū)域，在熱應(yīng)力作用下具有較高的開裂傾向。當(dāng)Zr含量達(dá)到1 wt.%（圖1c 和g）時(shí)，裂紋完全被抑制，并在晶胞和晶粒邊界形成連續(xù)的網(wǎng)狀析出物。據(jù)報(bào)道，晶界開裂是應(yīng)變局部化的結(jié)果。應(yīng)變可由晶粒傳遞并集中在晶間液膜中，而當(dāng)晶胞間液體充足時(shí)，晶胞邊界可分擔(dān)應(yīng)變。雖然添加Zr溶劑會(huì)增加晶間液體的體積分?jǐn)?shù)，相當(dāng)于增加了微結(jié)構(gòu)中脆弱區(qū)域的數(shù)量，但當(dāng)這些區(qū)域的應(yīng)力得到緩解時(shí)，熱裂紋也會(huì)受到抑制。因此，可以合理地假設(shè)殘余應(yīng)力可以在晶間液體/相之間分擔(dān)，從而減輕晶界處的殘余應(yīng)力集中。
圖1 LPBF制造的Haynes 230樣品的代表性O(shè)M和SEM圖像，其中鋯含量分別為0 wt.%（a，e）、0.5 wt.%（b，f）、1 wt.%（c，g）和1.5 wt.%（d，h）。黃色箭頭表示細(xì)胞晶界。
此外，這種連續(xù)的 Ni11Zr9網(wǎng)絡(luò)層還能作為“骨架”，顯著提高印模樣品的屈服強(qiáng)度，如圖2所示。經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砗?，這些 Zr 改性的 Haynes 230 合金顯示出非凡的強(qiáng)度和塑性組合，優(yōu)于之前報(bào)道的 Haynes 230合金。
圖2 (a)經(jīng)Zr改性和熱處理的原樣的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b) LPBF生產(chǎn)的Haynes 230、之前報(bào)告的鍛造Haynes 230和本文制備的樣品的屈服強(qiáng)度-伸長(zhǎng)率數(shù)據(jù)匯總。
合金中觀察到的強(qiáng)度大幅提高歸功于金屬間Ni11Zr9的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)可以作為“骨架”，在塑性變形過程中起到阻擋位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用，顯著提高了打印樣品的屈服強(qiáng)度50%以上。在隨后的熱處理中，Zr改性Haynes 230合金表現(xiàn)出非凡的強(qiáng)度和塑性組合，這歸因于金屬間 Ni11Zr9的溶解、大尺寸M6C 的沉淀減少以及晶胞和晶界處的MC沉淀?？傊疚牡难芯?jī)?nèi)容為激光增材制造具有優(yōu)異機(jī)械性能的無裂紋合金提供了一條新的合金設(shè)計(jì)路線。