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制造是鎳基高溫合金等超級(jí)合金應(yīng)用的“致命弱點(diǎn)”，而如果沒有通過鑄件機(jī)加工進(jìn)行冗長而昂貴的減法制造，就無法獲得結(jié)構(gòu)上良好的機(jī)械性能。而3D打印可以有效地制造復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)通常很難實(shí)現(xiàn)。[1] 例如在《霍尼韋爾對(duì)3D打印鎳基高溫合金材料進(jìn)行多維度測試》一文中，3D科學(xué)谷回顧的葉盤、內(nèi)部集成冷卻通道的部件、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。
但多數(shù)常規(guī)鎳基高溫合金無法從精密鑄造工藝過渡到3D打印技術(shù)中使用，因?yàn)檫@些材料是針對(duì)鑄造等傳統(tǒng)工藝進(jìn)行優(yōu)化的。由于3D打印過程的快速重復(fù)熱循環(huán)，可以通過成分計(jì)算數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式設(shè)計(jì)出針對(duì)3D打印工藝參數(shù)的新成分，從而針對(duì)增材制造的高冷卻速率調(diào)整微觀結(jié)構(gòu)和性能。因此，面向增材制造工藝對(duì)鎳基高溫合金材料進(jìn)行優(yōu)化，減輕其冶金缺陷，推出適合3D打印的合金材料，在推動(dòng)高溫合金增材制造應(yīng)用過程中起到重要作用。[1]
根據(jù)3D科學(xué)谷的市場研究，來自加州大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)EBM 和SLM 這兩種粉末床熔融3D打印工藝，開發(fā)了一種鈷鎳基高溫合金，據(jù)稱能夠抵抗3D打印中產(chǎn)生的缺陷 [2]。
為增材制造而優(yōu)化的合金
鎳基高溫合金的增材制造挑戰(zhàn)
基于粉末床熔融的金屬3D打印技術(shù)使制造具有復(fù)雜幾何形狀的金屬零部件成為可能，這一工藝為產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化帶來的自由度引起了醫(yī)療植入器械、汽車、航空航天等領(lǐng)域的興趣。但目前能夠適用于這類金屬3D打印工藝的合金材料的種類仍然十分有限。
電子束熔融（EBM）與選區(qū)激光熔化（SLM）這兩種粉末床金屬3D打印技術(shù)，通過金屬粉末的局部熔化來實(shí)現(xiàn)組件的逐層“生長”。在本質(zhì)上來講這是一個(gè)重復(fù)焊接的過程，這一過程中，打印設(shè)備通過定向能源來局部熔化和接合材料。因此，用于增材制造的候選材料傾向于是可焊接合金，它們不易受液相產(chǎn)生的開裂機(jī)理（如液化開裂或熱撕裂）或固態(tài)應(yīng)力（應(yīng)變-時(shí)效裂紋和高溫失塑裂紋）的影響。
由于在高溫下具有優(yōu)異機(jī)械性能，鎳基高溫合金是用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)單晶渦輪葉片等結(jié)構(gòu)部件的首選材料。這些合金由高體積分?jǐn)?shù)（> 0.6）的γ’相（Ni3（Al，Ti），L12）亞微米尺寸的立方狀沉淀物組成，這些沉淀物與固溶強(qiáng)化基質(zhì)或γ相（Ni ，A1）相干。但是，許多性能高的鎳基高溫合金是不可焊接的，這是因?yàn)槟毯蟛痪煤螃谩啾阊杆傥龀觯璧K了通過加固新近凝固的材料而松弛熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致應(yīng)變時(shí)效裂紋。
當(dāng)γ相凝固時(shí)，由于排斥諸如Al，Ti和Ta12的γ’形成元素，液體變得局部富集。這種溶質(zhì)偏析降低局部液相線溫度，產(chǎn)生固體枝晶間富集溶質(zhì)的液體膜。在冷卻過程中，它們?cè)谌鄢刂幸圆煌乃俾适湛s，從而導(dǎo)致拉伸應(yīng)力和破裂。
液體介導(dǎo)的開裂敏感性可通過控制合金組成和給定溫度下的液體組成和液相分?jǐn)?shù)來影響。剛好低于熔點(diǎn)，可以通過固態(tài)塑性變形來適應(yīng)應(yīng)力，這時(shí)對(duì)強(qiáng)化沉淀出現(xiàn)的溫度非常敏感。因此，許多理想的高γ’體積分?jǐn)?shù)的鎳基高溫合金在接近凝固的狀態(tài)和固態(tài)下都易于破裂。原則上，溶質(zhì)的偏析和沉淀過程可以通過成分的整體變化來改變。
包括高γ’體積分?jǐn)?shù)的鎳基高溫合金、高強(qiáng)度鋁合金和耐火合金在內(nèi)的高性能工程合金的裂紋敏感性，代表了在關(guān)鍵應(yīng)用中將這些合金材料用于增材制造的主要障礙。對(duì)于高強(qiáng)度鋁合金等在較低溫度下運(yùn)行的合金而言，通過粉末表面的功能化控制熔池中的晶粒成核可減輕開裂問題。然而這種方式將導(dǎo)致較小的晶粒尺寸，對(duì)于在高溫環(huán)境中使用的材料是不利的。因此，增材制造高溫合金仍需要有創(chuàng)新性的合金設(shè)計(jì)。
減少裂紋的策略
研究團(tuán)隊(duì)在論文中指出，針對(duì)增材制造高溫合金的開發(fā)已存在幾種不同的策略。例如：通過在現(xiàn)有商用合金成分范圍內(nèi)的鎳基高溫合金Hastelloy X中增加固溶強(qiáng)化元素，可以觀察到增材制造組件中的微裂紋減少；為了控制材料的各向異性，有的材料研究進(jìn)行了敏感性分析，重點(diǎn)是調(diào)整合金成分以控制鎳基合金的柱狀轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S轉(zhuǎn)變；也有的方式是通過增材制造過程控制來控制柱狀到等軸轉(zhuǎn)變，通過原子尺度的晶界工程成功地制造出不可焊接的鎳基高溫合金；此外，通過增材制造技術(shù)，可以在打印前混合合金粉末，從而制造出具有獨(dú)特微觀結(jié)構(gòu)的金屬-金屬復(fù)合材料，而這是其他方法難以制造的。
由于現(xiàn)代鎳基高溫合金中存在的γ-γ’微觀結(jié)構(gòu)因其優(yōu)異的機(jī)械性能而成為理想的材料，研究團(tuán)隊(duì)尋求設(shè)計(jì)一種包含高γ’ 體積分?jǐn)?shù)，同時(shí)保持良好可打印性的鎳基高溫合金。根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，他們?cè)O(shè)計(jì)的是一種可通過選區(qū)激光熔化（SLM）和電子束熔化（EBM）制造路徑進(jìn)行加工的鈷鎳（CoNi）基超級(jí)合金，該材料可產(chǎn)生無裂紋的增材制造組件。
凝固過程中較低的溶質(zhì)偏析度降低了液體介導(dǎo)的開裂敏感性，降低的γ’固溶溫度可在凝固完成后緩解開裂。 該研究團(tuán)隊(duì)在論文中表示，室溫拉伸試驗(yàn)表明，與目前正在研究其他增材制造鎳基高溫合金相比，鈷鎳基高溫合金具有出色的延展性和強(qiáng)度的結(jié)合，為粉末床增材制造技術(shù)在高溫零部件制造中的應(yīng)用提供了新空間。
新合金合成
圖1 通過EBM和SLM增材制造CoNi基高溫合金。SB-CoNi-10 金屬粉末的SEM顯微照片: a 為EBM 3D打印；b 為SLM 3D打印；c，d 3D打印簡單條形形狀用于單軸拉伸測試；e. 帶冷卻通道的3D打印渦輪葉片；f 帶薄壁懸伸平臺(tái)的3D打印渦輪葉片；通過EBSD獲得的IPF貼圖顯示了3D打印后鈷基高溫合金沿構(gòu)造方向的晶粒結(jié)構(gòu)，g 采用EBM 3D打印，h 采用SLM 3D打印。來源：nature.com
研究團(tuán)隊(duì)通過真空感應(yīng)熔化和氬氣霧化制備了136 千克的SB-CoNi-10粉末。SLM 3D打印使用的粉末尺寸范圍是15-53μm，EBM 3D打印使用53-177μm的粉末，如圖 1a和b所示。在這兩個(gè)過程中，均使用典型的鎳基合金3D打印工藝參數(shù)來打印矩形塊和葉片狀樣品。SLM 3D打印是在預(yù)熱溫度為200°C的粉末床上進(jìn)行的，而EBM打印則利用電子束將粉末預(yù)熱到1000°C。
3D打印化學(xué)偏析
圖2 三種不同工藝制造的SB-CoNi-10 合金化學(xué)偏析。XY平面微觀結(jié)構(gòu)BSE顯微照片：a 采用Bridgman法鑄造；b 采訪用EBM 3D打印；c 采用SLM 3D打印；對(duì)樣件進(jìn)行表觀分布系數(shù)的定量組成數(shù)據(jù)和Scheil曲線擬合，d 為Bridgman法鑄造件，e 為EBM 3D打印樣件，f 為SLM 3D打印樣件。來源：nature.com
為了評(píng)估增材制造條件下的溶質(zhì)偏析，研究團(tuán)隊(duì)通過電子探針顯微分析（EPMA）沿XY平面研究了EBM和SLM合金。通過在圖2b和c所示區(qū)域的中心在100××100μm的區(qū)域上收集20××20點(diǎn)組成數(shù)據(jù)的網(wǎng)格，收集了凝固過程各個(gè)階段的合金成分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。
微觀結(jié)構(gòu)演變
圖4 后處理前后的EBM微結(jié)構(gòu)演變。來源：nature.com
EBM中使用的高預(yù)熱溫度（1000°C）降低了凝固過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，單個(gè)晶粒內(nèi)存在低取向梯度（圖 1 g和圖4 f）。
圖5 后處理前后的SLM微結(jié)構(gòu)演變。來源：nature.com
在SLM（200°C）期間使用的有限預(yù)熱不會(huì)促進(jìn)在增材制造過程中相的形成和變粗，就像在EBM中一樣。現(xiàn)有熔池在圖5a中可見 ，柱狀晶粒從熔池的底部沿構(gòu)建方向生長，晶粒從熔池的壁向激光軌道中心線橫向生長，并且有限數(shù)量的孔隙率。在圖中所示的最終的構(gòu)建層下方不同深度BSE顯微照片 5 B至E顯示了整個(gè)構(gòu)建的蜂窩狀的微結(jié)構(gòu)存在。
打印后合金的機(jī)械性能測試
表2 室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果。來源：nature.com
研究團(tuán)隊(duì)在SLM和EBM印刷材料上均進(jìn)行了室溫準(zhǔn)靜態(tài)拉伸測試。
圖6 室溫下EBM和SLM SB-CoNi-10 合金材料拉伸測試。來源：nature.com
研究團(tuán)隊(duì)最終得出研究結(jié)論，鈷鎳基超級(jí)合金SB-CoNi-10已使用EBM和SLM兩種粉末床金屬3D打印技術(shù)成功的進(jìn)行了增材制造。3D打印微結(jié)構(gòu)的成分圖顯示，有利的溶質(zhì)分配與良好的γ’-固溶溫度相結(jié)合，可以抑制在EBM和SLM工藝中遇到的凝固條件范圍內(nèi)的開裂。
與傳統(tǒng)的加工路線相比，增材制造過程中的高熱梯度和冷卻速率可顯著改善固化后的結(jié)構(gòu)，從而減少了固溶熱處理所需的時(shí)間。該合金可通過標(biāo)準(zhǔn)的后處理和熱處理進(jìn)行加工，其中會(huì)沉淀出高體積分?jǐn)?shù)的γ’相的精細(xì)分散體。拉伸測試表明，與其他由EBM和SLM制造的高γ’體積分?jǐn)?shù)的鎳基高溫合金相比，由于新型鈷鎳基高溫合金在增材制造過程中形成缺陷的可能性低，因此它們具有出色的延展性和較高的抗拉強(qiáng)度極限。
參考資料：
[1] Chinnapat Panwisawas et.al. metal 3D printing as a disruptive technology for superalloys. Nature Communications,2327 (2020) .
[2] 本文所參考研究論文：Sean P. Murray et.al. A defect-resistant Co–Ni superalloy for 3D printing.Nature Communications volume 11, Article number: 4975 (2020). https://www.nature.com/articles/s41467-020-18775-0
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