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    【熱裂終結(jié)者】《Acta Materialia》揭秘:激光增材制造鎳基合金的"免裂基因"設(shè)計

    【熱裂終結(jié)者】《Acta Materialia》揭秘:激光增材制造鎳基合金的"免裂基因"設(shè)計
    研倍  2025-06-06  |  閱讀:194

    研究背景

    金屬3D打印技術(shù)(又稱金屬增材制造)相較于傳統(tǒng)減材工藝,在復雜構(gòu)件一體化成型、輕量化設(shè)計和材料利用率方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。然而該技術(shù)目前僅能穩(wěn)定應用于316L、IN718等有限種類的商用合金,其大規(guī)模推廣面臨的核心障礙在于難以實現(xiàn)無缺陷制造。究其根源,激光增材制造過程中劇烈的溫度梯度與急劇冷卻條件對材料適應性提出極高要求,即便是Hastelloy X、Haynes 230這類焊接性能優(yōu)異的合金,仍會出現(xiàn)嚴重的熱致開裂現(xiàn)象。


    這類缺陷主要表現(xiàn)為凝固末期形成的熱裂紋(亦稱凝固裂紋),其產(chǎn)生機制與元素偏析密切相關(guān)。具體而言,溶質(zhì)元素的不均勻分布會擴大合金凝固區(qū)間,促使枝晶間形成連續(xù)性液膜。此類液膜在材料冷卻收縮時與熱應力產(chǎn)生協(xié)同作用,造成局部應力集中,最終引發(fā)裂紋擴展。該機理揭示了控制元素偏析對抑制熱裂紋的關(guān)鍵作用。


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    研究思路及成果

    在合金增材制造領(lǐng)域,如何消除熱裂紋并提升材料性能始終是研究重點。傳統(tǒng)方法聚焦于減少液膜形成和縮小凝固區(qū)間,但天津大學團隊另辟蹊徑,通過偏析工程在凝固末期將均勻的枝晶間液膜引入,實現(xiàn)液體回填以釋放應力、緩解應力集中,從而抑制裂紋。這一通過調(diào)控偏析元素實現(xiàn)晶界強化的新策略,為高性能無裂紋合金的增材制造提供了全新思路。


    相關(guān)成果以“New alloy design approach to inhibiting hot cracking in laser additive manufactured nickel-based superalloys”為題發(fā)表于金屬材料領(lǐng)域頂級期刊《Acta Materialia》,為航空航天高溫鎳合金制造領(lǐng)域的高性能材料開發(fā)提供了新范式。


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    研究方法及結(jié)果

    以Ni基高溫合金為例,研究發(fā)現(xiàn)向Haynes 230合金添加1 wt% Zr后,激光增材制造過程中形成了連續(xù)的Ni11Zr9金屬間化合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)不僅完全消除了裂紋,還作為"骨架"使屈服強度顯著提升。更為重要的是,經(jīng)過適當熱處理后,Zr改性合金的強塑性組合遠超未改性材料,其斷裂表面呈現(xiàn)高密度韌窩,表現(xiàn)出優(yōu)異的韌性。


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    LPBF制造的Haynes 230樣品的代表性O(shè)M和SEM圖像含有(a, e) 0 wt.%, (b, f) 0.5 wt.%, (c, g) 1 wt.%, (d, h) 1.5 wt.% Zr。


    Zr改性后的Haynes 230合金的開裂得到了有效的抑制。同樣,在zr修飾的Haynes 230樣品的高倍掃描電鏡圖像中也不存在微裂紋。EBSD圖顯示了晶粒沿構(gòu)建方向的外延生長特征,其中裂紋沿原始樣品的柱狀晶界擴展,如箭頭所示。Zr改性后Haynes 230中的裂紋被完全抑制,但顯微組織仍由柱狀晶粒組成。在鎳基高溫合金中,Zr可以促進柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變,最終增強鋁合金的抗熱裂性。


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    LPBF制造的原始(0 wt.% Zr)和Zr修飾的Haynes 230 (1 wt.% Zr)樣品沿建筑方向(BD)的OM圖像。(b)斷口表面的細胞特征證實了原始試樣的熱裂。原Haynes 230試樣的顯微組織特征:(c) EBSD逆極圖(IPF)圖,沿BD,顯示裂紋沿柱狀晶界擴展,如箭頭所示;(d)修飾細胞邊界的納米顆粒;(g)固化細胞的TEM亮場圖像;(h) (g)中Ni2W4C顆粒的SAED圖。zr修飾Haynes 230試樣的顯微組織特征:(e)點綴胞界的連續(xù)網(wǎng)狀沉淀;(f)沿BD的生態(tài)系統(tǒng)規(guī)劃圖則;(i)固化細胞的TEM亮場圖像;(j) (i)所示的金屬間Ni11Zr9相的SAED圖。


    可以看出,裂紋密度隨晶胞和晶界處Ni11Zr9含量的增加而減?。▓D3),由此可以推斷,晶胞和晶界處液體體積分數(shù)隨Zr含量的增加而增大。當Zr含量增加到0.5 wt.%時,雖然與原始樣品(0 wt.% Zr)相比,析出相的比例有所增加(圖3e),但析出相仍主要以片層形態(tài)分布在晶界處(圖3f)。特別是晶界處的孤立析出相對應于凝固過程中的局部液膜,形成了一個剪切強度較低的區(qū)域,在熱應力作用下具有較高的開裂傾向。


    TEM圖像顯示,晶內(nèi)碳化物位于晶胞邊界,插入的SAED圖案表明,晶胞邊界處的碳化物均為Ni2W4C (M6C)。由于LPBF過程中的超快冷卻速率,擴散不充分的W原子在γ基體中分離形成過飽和固溶體。


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    經(jīng)Zr改性后的樣品具有超高的屈服強度(812±10 MPa),伸長率達到24±1%。伸長率的增加間接表明熱裂在試樣中得到了有效抑制。


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    研究結(jié)論

    用Zr原子的偏析和豐富的晶胞邊界,通過引入穩(wěn)定的液體回填和網(wǎng)絡化的金屬間相Ni11Zr9來緩解應力/應變集中和協(xié)調(diào)晶粒變形,制備了一種無裂紋Haynes 230合金。晶胞間Ni11Zr9相數(shù)量的增加有助于降低裂紋密度,當Zr含量達到1 wt.%時,熱裂紋被完全抑制。此外,觀察到金屬間相Ni11Zr9的連續(xù)網(wǎng)絡作為“骨架”,顯著提高了打印樣品的屈服強度50%以上。為激光增材制造具有優(yōu)異力學性能的無裂紋合金提供了一條新的合金設(shè)計路線。


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