《Nature》子刊：一種3D列印的高強度、抗缺陷高溫合金

2020-10-25 材料material

增材製造有望實現高經濟價值金屬材料生產的重大轉變，使具有創新、複雜的設計和最小的材料浪費成為可能。最大的挑戰是合金設計，既要與獨特的添加劑處理條件兼容，又要保證材料性能足以應對能源、空間和核應用等具有挑戰性的環境。


近日，來自美國加州大學聖巴巴拉分校的Tresa M. Pollock等研究者，報導了一類高強度、抗缺陷的3D列印高溫合金，成分主要是含有大約相等的Co和Ni，以及Al、Cr、Ta和W。在列印和後期加工時具有超過1.1 GPa的強度，在室溫下拉伸延性大於13%。相關論文以題為「A defect-resistant Co–Ni superalloy for 3D printing」發表在NatureCommunications上。


論文連結：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-18775-0


基於金屬的增材製造(AM)，或三維列印(3D)，能夠以優化的幾何形狀製造接近淨形狀的金屬部件，這是傳統製造技術無法實現的。由於設計靈活性的提高，人們對將3D列印方法應用於生物醫學、汽車和航空航天的商用合金產生了濃厚的興趣。然而，只有有限數量的現有合金能夠適應金屬基體AM過程中出現的複雜熱條件，即通過雷射或電子束能量源對金屬粉末進行局部熔化來實現組件的逐層生長。


由於鎳基高溫合金在高溫下具有優異的機械性能，因此它們是製造結構部件的首選材料，如用於飛機發動機和陸地天然氣渦輪高溫部分的單晶(SX)渦輪葉片和葉片。這些合金由高體積分數(>0.6)亞微米尺寸的立方型析出相γ′(Ni3(Al,Ti)，L12)組成，這些析出相與固溶強化基體相一致，或γ相(Ni, A1)。然而，許多性能最好的鎳基高溫合金被發現是不可焊的，這是由於凝固後不久的凝固相γ′快速沉澱，增強了附近凝固的材料，阻礙了熱應力的鬆弛，導致應變時效開裂。


當液相γ凝固時，通過γ′排斥形成液相的元素，如鋁、鈦和Ta，使液相局部富集。這種溶質分離降低了局部液相線的溫度，在固體枝晶之間形成了富含溶液的液體薄膜，在冷卻過程中，固體枝晶在熔體池中以不同的速率收縮，導致拉應力和開裂。在給定溫度下，通過改變合金成分，控制液相成分和組分，可以影響裂紋敏感性。原則上，溶質的分離和沉澱過程可以被整體成分的變化所改變。


高性能工程合金的開裂敏感性，包括高容積率γ′鎳基高溫合金，高強度鋁合金和耐火合金，成為了這些合金用於增材製造的主要障礙。對於在較低溫度下工作的合金，如高強度鋁合金，通過對粉末表面功能化來控制熔池中的晶粒形核可以減輕裂紋問題。然而，這導致晶粒尺寸小，不宜高溫操作。因此，AM需要創新的合金設計，尤其是在更惡劣的環境下。


本文中，研究者提出了一種可以通過選擇性雷射熔煉(SLM)和電子束熔煉(EBM)兩種製造途徑加工的CoNi-基高溫合金，儘管存在高體積分數的理想「熔化」相γ′，但仍可產生無裂紋的部件。在凝固過程中，較低的溶質偏析降低了裂紋敏感性，而一旦凝固完成，降低的液相γ′-「溶解」溫度減輕了開裂。室溫拉伸試驗表明，與目前正在研究的其他鎳基高溫合金相比，CoNi-基高溫合金具有優良的延性和強度組合。


圖1 利用EBM和SLM增材製造CoNi-基高溫合金


圖2 在布裡奇曼澆鑄、EBM和SLM後的列印化學分離


圖3 定量EPMA的地圖


圖4 EBM在後處理前後的微觀結構演變


圖5 後處理前後SLM的微觀結構演變


圖6 SB-CoNi-10在室溫下EBM和SLM的拉伸試驗


圖7 EBM事後拉伸標本的EBSD


綜上所述，研究者最近開發的CoNi-基高溫合金SB-CoNi-10，已經成功地使用EBM和SLM進行了列印。列印的微觀結構顯示，在EBM和SLM凝固過程中，良好的溶質分配與良好的γ′-「溶解」溫度相結合，可以抑制開裂。對CoNi-基高溫合金成分進一步研究，對今後的AM應用具有廣闊的前景。新興的高通量實驗和計算工具現在能夠快速探索多維成分空間，以發現AM所需的合金。（文：水生）

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