頂刊綜述《PMS》：全面總結增材制造鎳基高溫合金工藝-缺陷-性能的關系！

來源：材料學網  

導讀：基于熔融的增材制造（AM）在多個長度尺度上具有自由度設計，已經顯著發(fā)展到制造鎳基高溫合金。在鎳基高溫合金的基于熔化的AM過程中，發(fā)生了原料/能源/熔池相互作用，凝固和相變等幾種現象，這些現象決定了構建零件的最終微觀結構和機械性能。本文全面討論了AM鎳基高溫合金及其原料特性（粉末形貌、化學、污染、流動性、回收性）和AM加工（參數和粉末鋪展/壁/球/飛濺效應）對其微觀結構（微偏析、相形成和晶粒結構）、缺陷生成（次表面/內部缺陷、微裂紋、表面粗糙度和殘余應力）的影響因素。此外，根據初始和后處理效果分析了增材制造 鎳基高溫合金的機械性能，例如室溫/高溫下的拉伸，蠕變和疲勞。此外，還強調了文獻中常用的建模方法來預測這些合金的微觀結構和機械行為。最后，考慮到AM鎳基高溫合金的差距，確定了當前研究的挑戰(zhàn)和緩解方法。


與傳統(tǒng)制造工藝相比，增材制造（AM）或3D打印因其提供的優(yōu)勢而受到學術界和航空航天，汽車和醫(yī)療保健等各個行業(yè)領域的極大關注。3 年美國 AM 市場規(guī)模約為 2021 億美元，預計從 18 年到 9 年將以 2022.2030% 的復合年增長率增長 。AM的自信研究和開發(fā)以及對原型應用的需求不斷增加，預計將推動市場增長。例如，它允許工程師重新思考整個設計過程，以生產具有高度設計自由度的高度復雜的零件。例如，使用有限元分析的結構拓撲優(yōu)化可用于通過去除特定區(qū)域中的材料來減輕零件的重量，從而使組件比傳統(tǒng)樣品更有效地運行并具有更好的機械性能。利用逐層處理范式，這種優(yōu)化程序允許制造具有高強度/剛度與重量比、更好的能量吸收和增強熱性能的晶格（蜂窩）結構。在這方面，通過AM制造的每個零件都可以針對功能進行獨特設計，例如具有復雜內部通道和冷卻通道的“隨形冷卻液”組件。由于增材制造可以在單個加工步驟中打印這些零件，而不需要鑄造、機加工和鉆孔等多種制造工藝，因此在增材制造加工中可以以較低的成本實現大規(guī)模定制。


增材制造還通過將裝配體的多個零件合并為單個組件的能力來促進零件集成。這種集成提供了許多優(yōu)點，例如減輕整體重量、制造時間、加工步驟、成本和復雜性。此外，它還可以優(yōu)化最終部件的機械性能和性能。例如，GE集成式燃油噴嘴將20個部件的組件組合成一個由鈷鉻材料組成的組件;重量減輕25%，耐用性是傳統(tǒng)組件的5倍。此外，AM降低了購買飛行比率，即輸入材料重量與最終零件重量的比率。通過傳統(tǒng)制造工藝制造的航空航天發(fā)動機和結構部件的購買飛行比可分別高達1：20和1：1。AM可以生產這些組件，購買飛行比率低至1：6 。與傳統(tǒng)工藝相比，增材制造工藝減少所需材料可將成本降低多達50%至7%。此外，零件可以按需4D打印，從而減少關鍵或更換組件的庫存要求和交貨時間。所有這些因素都大大簡化了傳統(tǒng)制造過程并減輕了對環(huán)境的影響。由于這些優(yōu)點，增材制造技術作為一種新興的制造工藝，徹底改變了傳統(tǒng)的設計實踐，并實現了工程界的創(chuàng)新。然而，增材制造加工存在重復性、尺寸公差、分層、粉末回收、缺陷、微觀結構異質性、元素微偏析、各向異性力學性能和后處理困難等挑戰(zhàn)，所有這些都在結構材料和各種應用中不斷研究和標準化。


制造一直是高性能和高溫鎳基高溫合金的主要挑戰(zhàn)，因為需要昂貴的減材技術才能獲得鑄造高溫合金的結構良好的機械性能。例如，具有復雜內部冷卻通道的噴氣發(fā)動機渦輪葉片可以使用傳統(tǒng)的精密熔模鑄造使用蠟模型或基于二氧化硅的復制方法進行生產。此外，還需要陶瓷模具將大量熔融金屬真空澆注到所需零件中，在此期間沉淀γ沉淀（Ni3Al）由于漫長而緩慢的凝固過程而變得不可避免。為了減少澆注的元素微偏析，需要在熔點略低于～1300°C的熔點下仔細進行數小時的熱處理。對于部件的最終復雜形狀（例如復雜的渦輪葉片幾何形狀），還需要額外的后處理，例如加工。鎳基高溫合金（如合金718（鉻鎳鐵合金718或IN718））的加工非常困難，因為它們在傳統(tǒng)的熱機械鍛造過程中具有高硬度和加工硬化傾向，這反過來又需要高切削力，導致更高的加工硬化效果。此外，例如，渦輪機零件制造的傳統(tǒng)熱機械加工包括熔模鑄造、機加工工藝等多種后處理，這反過來可能導致嚴重的化學微偏析和最終加工過程中的大量浪費/報廢。結果，只有大約10%的鎳基高溫合金最終成為成品。


近年來，在AM上發(fā)表了幾篇金屬合金和化合物綜述論文。Debroy等人概述了增材制造工藝，并闡述了各種技術，工藝結構-性能相關性及其在各種材料上的優(yōu)缺點。Sanaei 等人 討論了影響增材制造零件疲勞性能的微觀結構因素，重點關注產生的缺陷。最近，Mostafaei等人發(fā)表了一篇關于不同金屬合金體系（如鋁、鎳、鐵和鈦基合金）在粉末床熔融增材制造過程中常見缺陷和異常的綜合綜述。雖然在文獻背景中還有其他一些關于通過特定增材制造技術制備的特定鎳基高溫合金的綜述摘要，本文試圖對鎳基高溫合金的聚變基AM提供更全面和確鑿的綜述摘要，重點是加工細節(jié)， 微觀結構、缺陷和機械性能，以及“工藝-結構-缺陷-性能”的關系。這部分是因為文獻中關于其他增材制造技術（例如非基于光束的技術，例如粘合劑噴射）的數據有限，盡管它們的增長速度很快。此外，還將重點介紹聚變基AM鎳基高溫合金的模擬和預測，并與實驗數據進行比較。最后，對未來的研究提出了挑戰(zhàn)和展望。


亞利桑那大學材料科學與工程系單位Albert C. To、伊利諾伊理工大學Amir Mostafaei等人的研究團隊對此進行了研究，相關研究成果以題為Additive Manufacturing of Nickel-based superalloys: a state-of-the-art review on process-structure-defect-property relationship發(fā)表在Progress in Materials Science上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0079642523000403

圖1

圖1.（a） 三種高溫合金類別的典型應力斷裂行為，即鐵鎳基、鎳基和鈷基）。（b） 高溫合金中存在典型的合金元素。（c）具有有序晶體結構的幾何封閉堆積（gcp）相的晶體結構，即高溫合金微觀結構中發(fā)現的γ'，γ“，δ相和η相。請注意，開空心圓表示Ni原子，黑色實心圓圈表示化合物中的M原子（即Al，Ti和Nb）;此外，陰影平面顯示了晶體結構中最接近的堆積平面。

通常，根據原料類型和逐層沉積技術開發(fā)了不同的增材制造工藝。在基于金屬熔融的增材制造工藝中，原料是粉末或金屬絲的形式，結合系統(tǒng)基于激光或電子束等熱源，其中金屬融合然后快速凝固（速率為104-106K/s）。圖2顯示了最常見的基于融合的AM過程的示意圖。在本節(jié)和后續(xù)段落中，將進一步解釋這些基于融合的AM技術中的每一種。目前，基于熔融的增材制造技術在其他金屬增材制造生產方法中提供了最佳的再現性和尺寸精度，因此在醫(yī)學（鈦、不銹鋼和鈷鉻合金）、航空航天和國防（鎳基高溫合金）和能源（不銹鋼和高溫合金）等學術界和工業(yè)界得到了很好的研究。

圖 2.基于熔融的通用增材制造工藝示意圖：（a）激光粉末床熔融（L-PBF）。（b）電子束粉末床聚變（E-PBF）。（c） 激光束直接能量沉積 （DED） 和激光熔化、粉末流和保護氣體應用的橫截面圖。（d） 線弧增材制造。

與焊接一樣，基于熔化的AM加工零件經歷非平衡凝固過程，具有復雜的熔體流動和極端的熱歷史，并且多次掃描會影響后續(xù)層或軌道之間的粘合并促進零件內的相變。因此，鎳基高溫合金通過熔融基增材制造工藝的加工性能可以使用鎳基高溫合金的可焊性來估計。通常，可焊接和不可焊接鎳基高溫合金之間的邊界取決于合金中的Al和Ti含量，如圖3所示。據信，由這些成分形成的γ′沉淀物是高溫下開裂形成的原因。

圖3.各種高溫合金的相對可焊性由Al/Ti與Cr/Co的成分決定。

顆粒形狀- 與流動性和堆積密度相關的另一個粉末特征是顆粒形狀。表面光滑的球形粉末可以防止顆粒之間的摩擦，提高粉末原料的流動性和堆積密度。如圖4所示，球形顆粒的良好組合以及沒有小于10μm的衛(wèi)星顆粒的粒度分布可以導致孔隙率低于0.5%。結果還驗證了水霧化法制備的粉末由于其不規(guī)則的形貌而具有最大的孔隙率。人們認為氣體霧化粉末似乎比水霧化粉末表現更好，但氣體霧化粉末仍然存在局限性，例如衛(wèi)星顆粒。雖然DED工藝不需要重新涂覆粉末，但粉末的流動性似乎會影響最終AM組分的體積密度。盡管沒有明確解釋，但據信PREP粉末中更好的循環(huán)性和流動性可以提高填充效率，從而減少孔隙率。

圖4.（上）粉末特性，例如尺寸分布，表觀密度和振實密度以及Haunser比率，粉末的（中）掃描電子顯微照片，以及L-PBF加工鎳基合金橫截面處的（底部）光學圖像，指示孔隙率和開裂缺陷。

使用不同的掃描策略會深刻影響增材制造加工鎳基高溫合金在缺陷形成、微觀結構和殘余應變方面的性能。由于不同的掃描策略會導致熱分布的變化，因此晶粒結構會同時變化，這取決于熱梯度的方向和大小。隨著圖案旋轉的島狀掃描導致更均勻的晶粒結構和更少的紋理，表明均勻的掃描策略可能會降低驅動晶粒外延生長的熱梯度的方向性（見圖5）。還觀察到掃描策略的均勻性有助于中斷DED加工的鎳基高溫合金的外延生長。同樣，重復次數較少的掃描策略可減少殘余應變，從而減少構建的偏轉。累積效應改變了PBF過程中開裂的敏感性。研究證實，重復掃描和非均勻掃描策略會顯著增加裂紋密度，特別是在不可焊接的高溫合金中。這些研究清楚地揭示了為通過熔融增材制造技術加工的鎳基高溫合金尋求掃描策略和加工參數的優(yōu)化組合的重要性。

圖5.電子背散射衍射(EBSD)和反極圖(IPF) Z圖分別顯示了不同掃描策略(a)不旋轉掃描線掃描、(b)旋轉掃描線掃描、(c)旋轉掃描線掃描和(d)旋轉掃描島掃描)處理哈氏X的L-PBF的晶粒形貌。注意，第1行對應于相對于構建方向的顆粒結構;第2行對應橫向上的晶粒結構;第3行給出了每個條件的極點圖。

圖6.示意圖分別顯示了在Ar和He氣氛下單珠形貌的剝蝕和球化現象的比較。

圖7.粉末床熔合AM過程中粉末擴散動態(tài)。(a)粒徑與層厚在粉床質量和均勻撒粉方面的關系。(b)動態(tài)“壁效應”:耙料推進粉樁時，粉末之間的強接觸力將部分顆粒從粉層中拖出。(c)粉層異常圖。

圖8.激光噴丸處理IN625的透射電鏡(a,b)頂部表面，(c,d) 100 μm深度，(e,f) 1000 μm深度。(g)顯示微觀結構概述的示意圖。

圖9.(a)中L-PBF和(b)中E-PBF處理的SB-CoNi-10高溫合金:(1)顯示建成后微觀結構的拼接BSE圖像。在最終構建層附近，1mm以下，2mm以下和4mm以下的特定微結構分別顯示在(2)，(3)，(4)和(5)中。(6)和(7)分別顯示了新建和熱處理樣品的垂直截面IPF Z圖。(8)和(9)進一步強調了高倍觀察顯示熱處理樣品的γ-γ′結構。注意(1)的比例尺為50 μm;(2 ~ 5)的比例尺為5 μm;(6)和(7)的比例尺為500 μm;(8)比例尺為25 μm;(9)的比例尺為5 μm。

圖10.IN718加工后L-PBF的組織和晶粒分布。還包括鍛造和鑄造的顯微組織及相應的SEM圖片。

圖11.IN 718 LP-DED、Haynes 282 L-PBF和Hastelloy X L-PBF樣品在不同熱處理條件下的典型SEM顯微圖:(a)-(c)沉積態(tài)(NHT)， (d)-(e)完全熱處理IN 718 LP-DED(即1065℃/1.5小時應力恢復(SR) + 1162℃/3.5小時均質+ 1065℃/1小時溶解+ 760℃/10h完全時效+650℃/10h) ;(f)-(g)完全熱處理的Haynes 282 L-PBF(即，1065℃/1.5小時的應力恢復(SR) + 1165℃/3.5小時/100 MPa的HIPed + 1135℃/1hr的溶解+ 1010℃/2h的完全時效+788℃/8h) [187];(h)-(i)完全熱處理的哈氏合金X L-PBF(即，1065°C/1.5小時的應力恢復(SR) + 1165°C/3.5小時/100 MPa的HIPed +在1177°C/3小時的溶解。

總之,用于AM工藝的粉末原料的特性對鎳基高溫合金的加工性能起著至關重要的作用。顆粒形態(tài)和尺寸分布決定了粉末的流動性和堆積密度。具有良好流動性和堆積密度的粉末使熔體能夠有效地流入孔隙中，從而在DED和PBF加工的鎳基超合金零件中實現更高的堆積密度。雖然增加表面粗糙度可以增強熱量的吸收率，但建議使用不含超細顆粒的球形粉末可以獲得更好的流動性和產生的堆積密度。被捕獲的氣體（特別是氧氣）和污染物也可能通過形成不利的相來降低堆積密度，這些相有利于裂紋擴展并在固化部件內留下氣孔。這些發(fā)現也類似于使用回收粉末時建筑部件的性能下降。分布在熔化粉末外圍的受熱影響的粉末可能會產生負面影響，例如氧化、元素損失、形態(tài)重塑以及尺寸分布變化導致流動性下降。制造和篩分粉末的技術選擇與鎳基高溫合金的材料特性高度相關。