代偉杰,康學良,2,張玲郁,李一鳴,2,4,計云萍,4*

(1.內(nèi)蒙古科技大學 材料與冶金學院,內(nèi)蒙古 包頭 0140101;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)新金屬材料重點實驗室,內(nèi)蒙古 包頭 014010;3.內(nèi)蒙古科技大學 工程訓練中心(創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育學院),內(nèi)蒙古 包頭 014010;4.白云鄂博共伴生礦資源高效綜合利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,內(nèi)蒙古 包頭 014010)

高溫合金又稱超合金,是在600 ℃以上的高溫環(huán)境服役,可承受一定的機械應力,并保持良好組織穩(wěn)定性的一類合金。高溫合金廣泛應用于航空航天、核電機械和石油化工等領(lǐng)域的熱端部件[1],由于其難以切削加工且所制備零部件形狀復雜,往往面臨生產(chǎn)加工成本高、加工周期長和切削刀具耗損嚴重等一系列問題。金屬增材制造技術(shù)擁有良好的近凈成形能力,減少了許多傳統(tǒng)加工步驟,可以按需生產(chǎn)零件,減少備件庫存,縮短產(chǎn)品交付周期[1]。選區(qū)激光熔化(Selective laser melting,SLM)技術(shù)是激光增材制造金屬構(gòu)件的主流技術(shù)之一[2]。SLM技術(shù)是通過計算機構(gòu)建三維實體模型,利用高能量激光束選擇性的熔化預鋪設的微米級金屬粉末,通過逐層鋪粉,逐層熔化凝固的方法成形復雜的三維零件[3]。目前SLM技術(shù)可打印IN718、IN625、K402、HastelloyX和CM247LC等多種高溫合金粉末[4-5]?？珊感粤己玫?IN625和IN718兩種高溫合金已成功工業(yè)化應用于航空發(fā)動機的燃油噴嘴[6]、火箭發(fā)動機上的氧化劑閥體[7]以及燃氣輪機渦輪靜葉[8]。但CM247LC、IN939、IN738LC、HastelloyX、K402等大多數(shù)可焊性較差的合金,在SLM成形過程中極易發(fā)生開裂難以打印成形件。近年來大量研究工作圍繞SLM成形高溫合金開裂問題展開[9],但可焊性較差的高溫合金的開裂成因目前尚未明確[10],針對性的裂紋控制方法也有待深入研究。高溫合金成形過程中裂紋控制這一瓶頸技術(shù)還未徹底解決,嚴重制約了SLM技術(shù)在高性能高溫合金中的應用[11]。因此有必要深入了解SLM成形過程中裂紋的類型和開裂影響因素,有利于針對性的制定改良措施。鑒于此本文圍繞裂紋類型、影響因素及控制方法展開了詳細論述,綜述了SLM成形高溫合金的最新研究進展,針對金屬增材制造高溫合金未來發(fā)展趨勢進行了展望,為高溫合金裂紋控制研究提供一定的參考。

1 裂紋類型及影響因素

1.1 裂紋類型

SLM成形高溫合金過程中出現(xiàn)的裂紋大致可分為固態(tài)裂紋和熱裂紋兩種類型[12]。固態(tài)裂紋形狀較為筆直,裂紋頭部往往存在裂紋扭折,其微觀形貌如圖1(a)和1(b)所示。高溫合金在SLM成形過程中經(jīng)歷多次冷熱循環(huán)導致局部殘余應力過大[13],容易在固體金屬中形成新的裂紋或沿著原有微裂紋進一步擴展,因此固態(tài)裂紋的尺寸遠大于熔池尺寸[14]。熱裂紋包括凝固裂紋和液化裂紋[15],二者尺寸較固態(tài)裂紋要小得多,平均尺寸在十幾微米左右,對于二者的定義與區(qū)分還較為模糊。凝固裂紋一般在固液兩相區(qū)或熔池凝固末期出現(xiàn)[16],熔池內(nèi)部正在生長的枝晶對金屬熔液填滿整個熔池造成阻礙,剩余金屬溶液凝固過程中由于收縮受阻進而形成缺陷,當局部應力應變大于材料的抗開裂能力時出現(xiàn)凝固裂紋。液化裂紋多出現(xiàn)在熔池熱影響區(qū),當熱影響區(qū)溫度較高時晶粒內(nèi)部形成液膜[17],由于在熱循環(huán)過程中積累了較大的熱應力,液膜可能成為裂紋萌生的場所,加速裂紋沿晶界擴展。典型的凝固裂紋是由凝固液膜不規(guī)則的枝晶形貌所造成,如圖1(c)和1(d)所示;而液化裂紋通常沿晶界分布沒有枝晶特征,如圖1(e)和1(f)所示[14]。

(a)固態(tài)裂紋;(b)固態(tài)裂紋局部放大照片;(c)凝固裂紋;(d)凝固裂紋局部放大照片;(e)液化裂紋;(f)液化裂紋局部放大照片圖1 SLM成形鎳基高溫合金典型裂紋形貌(a)solid crack;(b)partial magnification photograph of solid crack;(c)solidification crack;(d)partial magnification photograph of solidification crack;(e)liquefaction crack;(f)partial magnification photograph of liquefaction crackFig.1 Typical crack morphology of SLM formed nickel-based superalloy

1.2 影響因素

SLM成形過程中高溫合金的開裂現(xiàn)象較為普遍,導致其開裂的原因眾多,主要可歸納為合金物理化學性質(zhì)、合金凝固溫度區(qū)間和合金元素偏析及析出相的影響三種類型。

1.2.1合金物理化學性質(zhì)影響

材料自身物理化學性質(zhì)包括合金的激光吸收率、熱傳導率、熱膨脹系數(shù)和熱擴散系數(shù)等。SLM技術(shù)以激光為加熱熱源,良好的激光吸收率是能否成形的首要前提,高溫合金中主要合金元素鐵、鈷、鎳、鉻等具有良好的激光吸收率[18],是目前市場上主要的可打印材料。SLM成形過程中常伴隨著極高的溫度梯度(104K/mm)[19]和極快的冷卻速率(106K/s)[20],因此導致了材料承受了較大的熱應變。SLM成形過程中處于熔化的粉末層存在熱膨脹產(chǎn)生的拉應力,而已凝固的區(qū)域處于冷卻過程存在壓應力。在逐層鋪粉,逐層凝固的過程中,凝固區(qū)域與熔化層相互制約導致層與層之間也出現(xiàn)了較大的應力梯度[21]。高溫合金成形過程中決定熱應力大小的關(guān)鍵因素為熱膨脹系數(shù)和熱傳導率。熱膨脹系數(shù)越低的合金,在凝固和冷卻過程中的收縮率越小,即熱裂紋發(fā)生的可能性越小[22]。熱導率越高,熔池與熱影響區(qū)之間的溫度梯度越小,從而降低了產(chǎn)生裂紋的概率[23]。高溫合金具有較高的導熱系數(shù)[24](如圖2所示)和較低的熱傳導率(11 W·m-1·℃-1),在SLM成形過程中的裂紋敏感度也比其他合金更高。

1.2.2合金凝固溫度區(qū)間影響

研究表明固液溫度區(qū)間較大的材料在成形過程中更容易發(fā)生凝固開裂。因為在凝固過程中,枝晶間液膜可能在較低溫度下持續(xù)存在,造成更多的熱應變累積和更高的凝固開裂敏感性[25]。這種凝固開裂在CM247LC和IN939中均有相關(guān)報道。J.N.Ghoussoub 等[13]利用TTNi8熱力學數(shù)據(jù)庫在Scheil(沙伊爾模型)條件下,通過熱力學模擬對凝固路徑進行建模,如圖3所示。研究結(jié)果表明,在SLM成形所研究的12種合金中,易于發(fā)生凝固開裂的合金ABD850AM+CD、IN738LC和IN939均具有較寬的凝固范圍。Y.T.Tang等[14]在凝固溫度區(qū)間基礎上引入了凝固開裂指數(shù),定量化地描述了不同高溫合金凝固末期的凝固開裂傾向。表1給出了不同類型高溫合金的凝固開裂指數(shù)與固相摩爾分數(shù) (Fs)之間的關(guān)系圖。由表1可知,幾乎所有高溫合金凝固末期的凝固開裂指數(shù)均有明顯升高,當固相摩爾分數(shù)Fs>0.8時,不同高溫合金的開裂指數(shù)有顯著差異;而具有相近凝固溫度范圍的兩種合金在Fs>0.9時,開裂指數(shù)也有明顯差距。IN738的凝固開裂指數(shù)比IN738LC的同時段凝固開裂指數(shù)低得多,這與其他研究人員發(fā)現(xiàn)的成形性規(guī)律一致。由此可見,凝固溫度區(qū)間可在一定程度上判斷合金的開裂傾向,但分析不同凝固時段的凝固開裂指數(shù)更有助于找到合金開裂的更深層次原因。研究者經(jīng)過計算最終得出280 K為高溫合金打印過程不發(fā)生開裂的凝固溫度區(qū)間上限,介于IN718和IN738LC兩種材料的凝固溫度范圍之間。已有研究為后續(xù)不同高溫合金材料判斷可打印性提供了有效地參考,也為增材制造高溫合金設計提供了不同的設計思路。

圖3 使用 TTNi8熱力學數(shù)據(jù)庫,在Scheil模型下所 確定的不同高溫合金的凝固溫度范圍[13]Fig.3 The solidification temperature ranges of different superalloys determined by Scheil model using TTNi8 thermodynamic database [13]

1.2.3合金元素偏析及析出相的影響

固態(tài)裂紋通常在相對較低的溫度下產(chǎn)生。高溫合金在SLM成形過程中多次冷熱循環(huán)作用下促進了合金中γ′(Ni3Al/Ti)相的形成與生長,在打印后續(xù)的熱傳遞過程中達到了合金的時效溫度,使材料發(fā)生了沉淀強化,同時也損失了材料的延展性,使得材料易于開裂[26-27]。這種由于析出相引起的開裂,最早是在焊接過程中被發(fā)現(xiàn),不同高溫合金可焊性如圖4所示,由于應用條件所需要的良好高溫蠕變性能,高溫合金設計時添加了大量的Al和Ti元素使其γ′相含量高達60 vol.%[28]。目前SLM成形高溫合金研究過程中,IN738LC、IN939和CM247LC等高γ′相含量鎳基高溫合金均有裂紋影響可打印性的相關(guān)報道[29]。目前,研究人員還未定量化的給出具體γ′相含量的多少與開裂程度的關(guān)系,研究主要方向是增加固溶強化元素[30]或控制γ′相含量[14]來限制強度并提高延展性,成功地緩解了此類裂紋的形成,未來的工作重點是成分設計時平衡好合金中γ′相含量及高溫合金蠕變性能之間的關(guān)系。

圖4 鎳基高溫合金可焊性評估圖Fig.4 Weldability evaluation of nickel-based superalloy

高溫合金中除Al、Ti兩種元素誘發(fā)裂紋外,研究人員還發(fā)現(xiàn)SLM成形不同牌號高溫合金過程中出現(xiàn)了元素偏析影響合金可打印性的情況。B是高溫合金中常見的合金元素,其作用是穩(wěn)定晶界提高合金的抗蠕變、抗應力斷裂性能,但近期有研究表明B元素在晶界附近偏析會促進晶界液化,提高了合金的開裂敏感性[31]。K.R.Vishwakarma等[32]在成形Allvac718Plus高溫合金過程中,發(fā)現(xiàn)B元素的偏析對合金的裂紋敏感性有很大影響;熱影響區(qū)微裂紋數(shù)量隨B元素濃度的增加而增加;B元素偏析會顯著降低合金的低溫延展性,從而導致更大的脆性溫度范圍,在這種情況下合金更容易開裂。S. Griffiths等[33]在SLM成形CM247LC過程中發(fā)現(xiàn)微量合金元素Hf影響該合金的凝固溫度范圍,進而增大了該合金的裂紋敏感性,此工作與文獻[14]利用數(shù)據(jù)庫得到凝固溫度區(qū)間不謀而合。D.Tomus等[34]討論了SLM成形Hastelloy-X合金的熱裂敏感性與合金中C、Si和Mn三種元素含量之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)裂紋在合金凝固階段產(chǎn)生,當C元素和Si元素含量較低時有助于避免裂紋的形成,而開裂傾向與Mn濃度相對無關(guān)。目前針對合金元素的作用機理的研究還比較零散,尚未形成一套成熟的體系,只能通過研究人員在自己實驗中不斷地摸索與探究,未來還需要較長的一段時間積累合金元素與可打印性之間的相互作用關(guān)系,以期定量的描述各元素與可打印性之間的關(guān)系。

2 裂紋控制方法

裂紋控制一直是科研工作者關(guān)注的焦點,因此為消除裂紋、提高合金致密度做了大量嘗試與研究,主要從成形工藝控制和合金成分控制兩方面控制缺陷的數(shù)量。

2.1 成形工藝控制

2.1.1工藝參數(shù)調(diào)控

工藝參數(shù)包括激光功率、掃描速度、線間距和激光偏轉(zhuǎn)角度等。目前研究認為激光功率和掃描速度直接影響合金的可打印性[35-36],這是因為這兩個參數(shù)直接決定了熔池的大小、形狀及其動力學。L.N.Carter等[37]研究了SLM制造CM247LC鎳基高溫合金的裂紋特征和開裂機制,并建立了裂紋最小化,但不能完全消除的成形工藝窗口。D.Grange等[38]重點研究了加工過程中熔池的大小和形狀對裂紋發(fā)生的影響。研究表明熔池的大小和形狀極大地影響凝固條件。在不同的工藝參數(shù)下制備樣品,導致熔池大小和形狀不同,開裂程度不同。制造過程使用極窄的線間距使得熔池和相鄰熔池之間強烈重疊時,開裂程度最低。M.Cloots[39]等研究發(fā)現(xiàn)裂紋的數(shù)量與能量密度相關(guān),只有獲得穩(wěn)定的熔池才有利于減少裂紋的數(shù)量。H.Wang等[40]研究發(fā)現(xiàn)激光功率在170～220 W范圍內(nèi)搭配750～850 mm/s的掃描速度,有效抑制了Inconel 738LC裂紋的數(shù)量。針對以往的研究,各研究者所給出減少裂紋的方法大致相同,但依靠調(diào)控工藝參數(shù)來抑制高溫合金開裂行為的效果是非常有限的。

2.1.2基板預熱

SLM成形過程是在成形基板上逐層通鋪合金粉末不斷熔化成形的過程?；孱A熱溫度對能否成形起著至關(guān)重要的作用。R.Mertens等[41]通過控制基板預熱溫度研究了包括鎳基高溫合金在內(nèi)四種材料的零件致密度、裂紋數(shù)量和內(nèi)應力大小,結(jié)果表明通過基板預熱可以有效降低SLM加工過程中的溫度梯度,進而減少SLM零件中的熱應力,減少零件開裂傾向。張潔等[42]統(tǒng)計了不同溫度預熱基板時SLM成形IN625合金試樣裂紋情況,結(jié)果顯示基板預熱降低了殘余應力,并且抑制了裂紋的產(chǎn)生。隨著溫度的升高,裂紋數(shù)量逐漸減少,預熱溫度為300 ℃時裂紋數(shù)量最少?；孱A熱只能在原有工藝條件下減弱合金開裂傾向,但難以從根本上避免合金開裂。

2.2 合金成分調(diào)控

目前增材制造高溫合金所采用的粉末尚未開發(fā)出專屬的體系及成分,大量學者認為,應用于傳統(tǒng)的鑄造、鍛造設計的合金成分可能會對增材制造高溫合金產(chǎn)生不利的影響。C.Tan等[43]指出高溫合金的裂紋敏感性與Al+Ti元素含量有關(guān),當Al+Ti的含量高于4 ω%時,容易形成熱裂紋。S.Kou等[44]認為高溫合金中的S、P元素擴寬了凝固溫度范圍,增加了凝固開裂的敏感性,控制合金中的有害元素可以有效控制合金開裂傾向。D.Tomus等[45]在SLM成形HastelloyX合金過程中發(fā)現(xiàn),Mn、Si、S和P等微量元素在晶界處偏析增加了合金裂紋敏感性。N.J.Harrison等[46]在原有HastelloyX合金成分基礎上,通過添加少量的W和Mo元素進一步固溶強化,減少O、N、Cu和P等雜質(zhì)元素,在不損失材料原有力學性能的基礎上,降低了合金開裂敏感性,合金成分調(diào)整后成形試樣裂紋密度下降65%左右。S.Griffiths等[47]研究表明Hf導致SLM成形CM247LC合金的凝固范圍顯著減小,從而惡化了開裂條件。因此制備了一種新型的不含Hf的CM247LC合金,經(jīng)過相同參數(shù)SLM成形后裂紋數(shù)量下降了98%。Y.T.Tang等[14]提出了針對激光增材制造設計開發(fā)新型高溫合金的理念,運用合金成分數(shù)據(jù)庫及AM物理模型研究凝固溫度區(qū)間、γ′相體積分數(shù)、應變時效開裂指數(shù)和合金蠕變壽命之間復雜的相互作用關(guān)系(如圖5所示),研究表明γ′相含量與合金開裂敏感性呈負相關(guān)關(guān)系,而隨著γ′相含量增加,高溫合金的蠕變能力也隨之上升,合金成分設計的關(guān)鍵在于平衡好合金中γ′相含量及高溫合金蠕變性能之間的關(guān)系。研究人員通過對合金成分進行研究,設計開發(fā)了高γ′相體積分數(shù)且基本無缺陷的新型高溫合金ABD-900AM,其各溫度區(qū)間拉伸性能均超過IN939。目前針對選區(qū)激光熔化設計高溫合金成分的體系還未成熟,仍需要大量的研究探索。

(a)應變時效開裂指數(shù)與γ′相含量關(guān)系示意圖;(b)凝固溫度范圍與蠕變溫度關(guān)系示意圖;(c)應變時效開裂指數(shù)與蠕變溫度關(guān)系示意圖;(d)凝固溫度范圍與應變時效開裂指數(shù)關(guān)系示意圖圖5 新型高溫合金設計窗口[14] (a)relationship between strain aging cracking index and γ′ phase content;(b)relationship between solidification temperature range and creep temperature; (c)relationship between strain aging cracking index and creep temperature;(d)relationship between solidification temperature range and strain aging cracking indexFig.5 Design window of new superalloy [14]

3 結(jié)束語

綜上所述,SLM成形鎳基高溫合金過程中,裂紋主要為凝固裂紋、液化裂紋和固態(tài)裂紋三種類型,影響其開裂的原因可歸納為合金凝固溫度區(qū)間、析出相含量及元素偏析。目前,已對成形工藝控制和合金成分調(diào)控兩方面進行了大量研究,研究結(jié)果表明工藝優(yōu)化可以降低材料開裂的風險,但難以從根本上解決高溫合金的開裂問題,成形工藝優(yōu)化必須與合金成分設計相結(jié)合,從源頭上控制裂紋的形成才是解決金屬增材制造高溫合金開裂問題的重點突破方向。具體的研究工作可以從以下幾方面繼續(xù)探索。

1)尋找最佳工藝窗口。

利用可控的工藝條件如激光功率、掃描速度、基板預熱溫度和激光路徑相互搭配尋找到適合材料成形的工藝窗口。最新研究將單道實驗分析模型和幾何學的線間距方程相結(jié)合,構(gòu)建出關(guān)鍵工藝參數(shù)加工圖,已應用于多種新材料的工藝開發(fā)且具有較高的成功率,簡化了以往繁瑣的實驗過程,為新材料工藝探索節(jié)約了成本。

2)制定高溫合金相關(guān)標準。

金屬增材制造的快速發(fā)展導致打印材料種類眾多且復雜,但并無一套測定材料可打印性的可行標準。制訂一套技術(shù)標準用以判定材料的開裂程度,測定材料的裂紋密度,有利于金屬增材制造的可持續(xù)發(fā)展。在此基礎上定量化的探究開裂影響因素與材料裂紋敏感性之間的關(guān)系,有利于總結(jié)出合金可成形標準,為新材料的研發(fā)提供參考。

3)設計開發(fā)新型無裂紋高溫合金。

大量現(xiàn)有商業(yè)高溫合金由于其裂紋敏感性較高,難以直接用于金屬增材制造,因此設計與研發(fā)新型無裂紋高溫合金是重點突破方向。高溫合金設計需要考慮多種合金元素相互作用,難以用試錯法開展工作。在實驗基礎上與熱力學數(shù)據(jù)庫、計算材料學和材料設計軟件等高通量方法相結(jié)合,進行可靠的預測,建立起合金成分-工藝-性能之間的關(guān)系。