增材制造与创新设计技术(创新设计增材制造无裂纹镍基高温合金)

导读

该工作创新地利用Zr原子的偏析和丰富的晶胞边界，通过引入稳定的液体回填和网络化的金属间相Ni11Zr9来缓解应力集中和协调晶粒变形，制备了一种无裂纹Haynes230合金。采用偏析工程技术，在凝固后期引入连续均匀的枝晶间液膜，消除了激光增材制造过程中的热裂现象。通过评估该工艺消除热裂的能力，研究了试样胞界和晶界处网状金属间化合物的形成，系统表征了热处理过程中金属间化合物的溶解、晶间碳化物的细化以及M6C向Mc的转变，并对其力学性能进行了对比测试。这些发现为激光增材制造具有优异力学性能的无裂纹合金提供了一条新的合金设计路线。

金属增材制造，在复杂的整体部件制造、轻量化工程和材料利用方面具有巨大的优势。然而，该技术广泛应用首要的挑战是无法生产无缺陷的组件。在激光增材制造（LAM）过程中，合金无法适应快速的冷却速度和空间变化的温度梯度，最终在热应力作用下出现严重的开裂。热裂通常被认为是由元素偏析引起的，导致合金的凝固范围扩大，形成一层阻碍枝晶结合的液膜。液膜与冷却收缩产生的热应力之间的协同作用导致热裂的发展。避免裂纹的形成以保证可靠的打印性和良好的稳定性是合金LAM的关键。

目前，只有少数镍基高温合金，如Hastelloy-X、CM247LC和IN738LC，通过减少偏析成分的含量实现了热裂缓解。然而，这会对合金的力学性能产生不利影响，是以牺牲强度和蠕变寿命为代价的。若能有效地消除集中在脆弱区域的残余应力，就可以防止LAM中的热裂。近年来，大量研究集中在通过向铝合金中添加Ti、Sc和Zr溶质来获得精细的等轴组织，有效抑制热裂。此外，还可以利用丰富的晶胞边界，调节成分以均匀地在枝晶之间引入液体膜，减轻应力集中。然而，目前对各种合金热裂过程中液体回填机理的详细研究仍然很少，而且对细胞和晶界偏析的重要性的认识也很有限。

与以往的研究试图减小液膜和凝固范围相反，天津大学马宗青教授课题组创新性地采用偏析工程技术，在凝固后期引入连续均匀的枝晶间液膜，制备了一种无裂纹Haynes230合金。其本质上是利用镍基高温合金中Zr分配系数低的特点，在晶胞界和晶界处形成连续稳定的液膜，从而实现液体回填，缓解应力集中。相关研究成果以题为“Newalloydesign