供稿人：汪靖、王富 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2022-06-13
单晶镍基高温合金(SX)在处于90%的材料熔点温度时，仍具有优异的力学性能，因而被广泛应用于航空发动机的热端部件，如发动机叶片。在高温状态下进行运转，这些部件会遭受各种损伤，包括蠕变、腐蚀和氧化，损坏部件的更换会增大材料和时间成本。增材制造技术的使用，既可以满足涡轮叶片的复杂的几何设计，也可以确保翻新的可能性。电子束粉末床熔融（EB-PBF）技术是目前工业上应用最广泛的方法之一。
法国普瓦捷研究所的Luciana等人为了研究采用EB-PBF技术制造的单晶镍基高温合金的耐疲劳性，以Bridgman定向凝固方法制作的CMSX-4合金试样和ERBO/1合金试样、采用EB-PBF打印CMSX-4合金粉末而制作的试样为研究对象，研究不同工艺下的高温合金的耐疲劳性，在完全反转条件R_ε=-1、f=20kHz和1000℃的条件下进行了超高周疲劳（VHCF）的相关实验，制造完成后EB-PBF试样的组织以及其他试样微观组织如图1所示。
图1.(a)EB-PBF SX 12 mm方形棒材微观结构详图，定向凝固的CMSX-4的γ/γ'微观结构在(b)一次枝晶臂和(c)枝晶间距中被观察到，定向凝固的ERBO/1合金的(d)一次枝晶臂和(e)枝晶间距，EB-PBF制备的CMSX-4合金经(f)标准热处理以及(g) HIP热处理。
通过研究，可以得到疲劳实验的结果如图2所示，常规的Bridgman法制作的试样均未能完成VHCF，因为常规制造过程中容易产生气孔等缺陷，这些缺陷易引发整体的断裂，EB-PBF制备的试样在1000℃的VHCF下表现非常好，前提是它们没有图3所示的缺陷，即它们是单晶。与无缺陷试样相比，大角度晶界/杂晶的存在会导致超高周疲劳寿命的显著降低（超过30年），当试样中不存在缺陷时，EB-PBF加工试样的超高周疲劳寿命与Bridgman定向凝固的镍基高温合金的寿命相当或者略高。
图2. 交变应力（σ_a）作为失效循环次数（Nf）函数的实验结果图
图3.两个带有表面裂纹的EB-PBF处理样品示例，红色和黄色箭头分别表示垂直和平行于加载轴的裂纹。
通过对EB-PBF技术制造的单晶镍基高温合金的高周疲劳性进行研究，验证了EB-PBF试样优秀的疲劳耐久性能，使增材制造高温合金零部件的批量化工业应用成为可能。