供稿人：宁帅、鲁中良 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2024-04-08
金属增材制造，也称为金属3D打印，在复杂的整体组件制造、轻量化工程和材料利用方面，比传统的减法制造技术具有巨大优势。在合金的激光增材制造中，避免裂纹的形成以确保可靠的可打印性和良好的稳定性至关重要。
以往的研究通常试图缩小液膜和凝固范围来消除裂纹；与此相反，天津大学马宗青团队创新性地利用了偏析工程和丰富的细胞边界来引入液体回填以及偏析相网络，以减轻热应力，从而消除热裂纹。更具体地说，在激光增材制造过程中，锆被引入到镍基超合金中以形成连续的树枝状间液膜。
研究者发现，当Zr含量达到1wt.%时，连续的金属间Ni11Zr9 偏析相装饰了晶胞边界，并且在按原样打印的 Haynes 230合金中完全消除了裂纹，如图1所示。很明显，随着晶胞和晶粒边界的 Ni11Zr9 含量增加，裂纹密度降低，因此可以推断晶胞和晶粒边界的液体体积分数随着Zr含量的增加而增加。随着Zr含量增加到0.5 wt.%，尽管与原始（0 wt.%Zr）样品相比沉淀物的比例增加（图1e），沉淀物仍然主要以层状形态分布在晶界处（图1f）。尤其是晶界处的孤立析出物与凝固过程中的局部液膜相对应，如图1f中箭头所示，形成了一个剪切强度较低的区域，在热应力作用下具有较高的开裂倾向。当Zr含量达到1 wt.%（图1c 和g）时，裂纹完全被抑制，并在晶胞和晶粒边界形成连续的网状析出物。据报道，晶界开裂是应变局部化的结果。应变可由晶粒传递并集中在晶间液膜中，而当晶胞间液体充足时，晶胞边界可分担应变。虽然添加Zr溶剂会增加晶间液体的体积分数，相当于增加了微结构中脆弱区域的数量，但当这些区域的应力得到缓解时，热裂纹也会受到抑制。因此，可以合理地假设残余应力可以在晶间液体/相之间分担，从而减轻晶界处的残余应力集中。
图1 LPBF制造的Haynes 230样品的代表性OM和SEM图像，其中锆含量分别为0 wt.%（a，e）、0.5 wt.%（b，f）、1 wt.%（c，g）和1.5 wt.%（d，h）。黄色箭头表示细胞晶界。
此外，这种连续的 Ni11Zr9网络层还能作为“骨架”，显著提高印模样品的屈服强度，如图2所示。经过适当的热处理后，这些 Zr 改性的 Haynes 230 合金显示出非凡的强度和塑性组合，优于之前报道的 Haynes 230合金。
图2 (a)经Zr改性和热处理的原样的工程应力-应变曲线。(b) LPBF生产的Haynes 230、之前报告的锻造Haynes 230和本文制备的样品的屈服强度-伸长率数据汇总。
合金中观察到的强度大幅提高归功于金属间Ni11Zr9的连续网络，这种网络可以作为“骨架”，在塑性变形过程中起到阻挡位错运动的作用，显著提高了打印样品的屈服强度50%以上。在随后的热处理中，Zr改性Haynes 230合金表现出非凡的强度和塑性组合，这归因于金属间 Ni11Zr9的溶解、大尺寸M6C 的沉淀减少以及晶胞和晶界处的MC沉淀。总之，本文的研究内容为激光增材制造具有优异机械性能的无裂纹合金提供了一条新的合金设计路线。