綜述：鎳基高溫合金的粉末床熔融增材制造研究進展（1）

導讀：本文旨在回顧兩種主要粉末床熔融（PBF）技術——激光粉末床熔合(LPBF)和電子束熔合(EBM),，在制備鎳基高溫合金的組織和力學性能方面的研究成果,。介紹了PBF工藝生產的微觀結構的特點,，隨后概述了最常用的打印工藝,，以及打印件質量檢測技術,。對PBF鎳基高溫合金的抗拉強度,、硬度,、剪切強度、抗疲勞性能,、抗蠕變性能和斷裂韌性等力學性能進行了綜合評價,。

本文中出現(xiàn)的專業(yè)名詞解釋

圖1所示。在PBF試件中突出各向異性時常用的構建方向和主平面的布局,。注意這個原始方向通常被認為與機器的坐標系統(tǒng)對齊

1.摘要

在過去的二十年里,，增材制造中與鎳基合金材料相關的出版物數量急劇增加(見圖2)。

圖2所示,。關于鎳基高溫合金增材制造的出版物數量(來自Scopus數據庫),，包括主要里程碑[2-8]。這表明與增材制造中鎳基材料相關的出版物有所增加,。

關于金屬的增材制造,，特別是粉末層融合(PBF),，前人已經做了很多的研究。迄今為止的文獻綜述提供了金屬增材制造技術的總體概述,，重點是加工方法,、相應的微觀組織、力學性能及其在各種材料中的應用[3,9-12],。Murr 等人比較了兩種主要的金屬PBF技術,，即激光粉末床融合(LPBF)和電子束熔化(EBM)，以及它們對常用結構材料[13]的加工,，Korner等人則回顧了EBM技術和金屬材料[14]的工藝性能環(huán)節(jié)。Song等人回顧了LPBF制造的組件與常規(guī)制造的[15]組件在微觀組織和力學性能方面的差異,。Sames等人回顧了一系列金屬增材制造技術,，重點關注它們的問題和機制，以及創(chuàng)建模型來模擬它們[16],。Basak和Das綜述了常用金屬合金在不同金屬增材制造技術處理下的組織演變,。在文獻中，有關于LPBF制造部件一般力學性能的綜述文獻[18-20],。這些研究主要集中在增材制備Ti-6Al-4V組分[21,22]和鎳基高溫合金[23,24]的組織和力學性能,。

Wang等人綜述了LPBF制備的Inconel (IN) 718組件，主要關注其組織和力學性能[25],。這可能是與本文所進行的綜述最相似的工作,，而本文僅代表了現(xiàn)有文獻中最先進技術的一小部分。Aboulkhair等人對鋁合金[26]進行了全面的綜述,。Zhang等綜述了LPBF鈦合金及鈦基復合材料在生物醫(yī)學工程中的應用,。值得一提的是，也有關于新穎設計[28]和材料系統(tǒng)[29]應用于增材制造的綜述論文,。然而,，目前對PBF鎳基高溫合金力學性能的研究還沒有一個全面的綜述，這方面的綜述能夠為該領域的學者提供了一個權威和全面的資源,。因此,，本文的目的是對PBF鎳基高溫合金的力學性能進行全面的綜述。這將為研究人員更好地了解PBF的最新技術和工藝參數對力學性能的影響提供依據,。在本綜述的最后,，將給出針對不同力學性能所進行的研究的摘要，以幫助實踐者確定已經進行了哪些類別的材料評估,，并確定研究中的差距,。

最后討論了PBF在鎳基高溫合金加工中的機遇和不足。由于我們對基本冶金和工藝本身的理解發(fā)展迅速,，因此有必要讓業(yè)內有一個可供借鑒的參考點,。

1.1 粉末床熔融技術

本文重點介紹了PBF技術的兩種基本原理:LPBF和EBM,。PBF是金屬零件加工中最常用的增材制造技術之一。該工藝由兩個階段組成:首先,，粉末均勻地分布在工作區(qū)域,，然后是能源(LPBF的激光和EBM的電子束)根據三維模型選擇性熔化粉末床，從而建立最終組件[30],。這些制造方法的兩個主要區(qū)別是它們的電源和電力傳輸系統(tǒng),。圖3[9]展示了典型的LPBF和EBM系統(tǒng)的兩幅圖。

圖3所示,。兩種主要粉末床熔合工藝示意圖：(a)激光粉末床聚變,。(b)電子束熔化系統(tǒng)。兩個主要的區(qū)別(電源和電力傳輸系統(tǒng))是可見的,。[9]

其他研究人員已經對兩種方法和過程的細微差別進行了適當的審查,，表1總結了兩種系統(tǒng)之間的相關差異[9,16,30]。這種方法可以用于處理各種材料,，從金屬到陶瓷,，為許多應用，如航空航天,，生物醫(yī)學和汽車,。對于所有類型增材制造平臺可用材料的廣泛回顧，讀者可以參考Bourell等人對[31]主題的回顧,。

表1激光粉末床熔煉與電子束熔煉的主要區(qū)別,。這提供了對過程特征的洞察[9,16,30]。

1.2. 鎳基高溫合金及其在增材制造中的作用

本節(jié)將重點介紹鎳基高溫合金的特點,、它們適用于PBF的原因以及它們的應用實例,，尤其是在航空航天領域。

1.2.1. 鎳基高溫合金的特性

鎳基高溫合金是現(xiàn)代航空發(fā)動機材料家族的一種[34,35],，具有高溫強度,、韌性、蠕變和抗氧化/腐蝕的綜合性能,。由于這些原因,，這類合金被廣泛應用于在臨界環(huán)境下工作的部件中。第一代鎳基高溫合金是為噴氣發(fā)動機的高溫應用而設計的,，包括20世紀40年代由英國HenryWiggin公司開發(fā)的Nimonic 75[34],。從那時起，鎳基高溫合金不斷被生產,、研究并用于制造渦輪葉片,、渦輪盤、密封件,、環(huán)和燃氣輪機的其他部件,。

如今,，一個典型的噴氣發(fā)動機中含有將近1.8噸鎳基高溫合金。這些材料對將噴氣發(fā)動機的連續(xù)工作壽命提高到20,000 h[37]以上有很大的貢獻,。雖然涂層技術(如氧化鋯基熱障涂層,，TBCs)也有助于提高高溫性能，但基底鎳基高溫合金的作用再怎么強調也不為過,。圖4顯示了可焊性以及鎳基高溫合金在制造中的應用,。這是一個有用的指標，如何挑戰(zhàn)高完整性增材制造將是給定的材料,。實際上,，流程窗口在破碎的紅線以上大大減少了。

圖4所示,。一系列鎳基高溫合金的“可焊性”圖,，其Ti和Al合金元素組成的函數。圖來自Catchpole- Smith等人[38],。虛線以上的可焊性較差,，隨著Ti和Al含量的增加而惡化,。這項工作將為今后合金成分的研究提供參考,。

鎳基高溫合金應用于許多領域，如陸基燃氣輪機,、核電站和化學容器,。表2報告了鎳基高溫合金的一些常見應用。

表2鎳基高溫合金[39]的常用用途,。這表明了增材制造的鎳基高溫合金可以應用的眾多領域,。

圖5總結了PBF研究中鎳基高溫合金的類型。從這一數據可以清楚地看出,，IN718和IN625是PBF研究中探索最多的,。它們的組成見附錄中的表8。

圖5所示,。餅圖顯示了迄今為止在粉末層聚變研究中研究的鎳基高溫合金,，來自290項研究。鉻鎳鐵合金718和鉻鎳鐵合金625是研究最多的合金,，因為它們的使用水平主要是在航空航天市場,，航空航天有直接的機會。

1.2.2. 航空航天工業(yè)用鎳基高溫合金和PBF

航空航天工業(yè)代表了增材制造機器生產商的一個重要發(fā)展方向,，因為大量的部件具有很高的價值,，并使用高價值的材料[40]生產。事實上,，鎳基航空部件的特點是幾何形狀復雜,，產量低,。此外，考慮到鎳基高溫合金優(yōu)異的機械性能,，以及設計用于安全關鍵應用的特性,，這些零件用傳統(tǒng)加工技術加工是困難和昂貴的[41-44]。因此,，必須特別注意工裝,、冷卻劑和加工參數的選擇，以免導致生產成本增加[40],。相反,，PBF制造復雜幾何形狀的能力允許在組件中加入新的和額外的功能。因此,，該領域是展示PBF與鎳基高溫合金結合的潛力的合適方法,。

Yadroitsev等人的工作證明了LPBF生產由IN625[45]自由結構構成的復雜濾波器的能力。各個單元,，甚至是單個單元的參數,，都可以在建模階段輕松修改，并針對特征在1毫米以下的具體應用進行優(yōu)化,。(圖6),。這表明增材制造技術具有直接修改部件的能力，而傳統(tǒng)加工方法無法實現(xiàn),。

圖6所示,。鉻鎳鐵合金625過濾器，具有特定的孔定向和截面積,。這些樣品是通過粉末床融合制造的,，展示了粉末床融合制造高度優(yōu)化的幾何形狀的能力，特征小于1毫米,。這是激光粉末床融合技術[45]的一個典型應用,。

Bernstein等人進一步證明了這一進展，他們開發(fā)并制造了一種渦輪葉片原型,，其特征是前緣帶有通過LPBF獲得的內置冷卻通道(圖7)[42],。測量的平均冷卻孔尺寸(0.3945 mm)略小于公稱尺寸(0.5 mm)，這凸顯了LPBF中仍需克服的公差挑戰(zhàn),。這些井眼直徑的標準偏差很小(0.0206 mm),，表明LPBF有潛力作為一種精確有效的技術來產生這些特征部件。不過,，盡管該方法取得了一些很好的結果,，但仍不能與常用的冷卻孔直接加工方法，如激光加工或電火花加工(EDM)的特征分辨率相比。事實上,，Li等人已經證明,，通過使用激光或電火花打孔工藝，可以獲得直徑<150 μm的孔,。然而,，民用飛機的常見工業(yè)工藝要求冷卻孔直徑在300-500μm[46]范圍內。這是影響渦輪葉片和導流噴嘴熱力學性能的一個基本技術限制,。然而,，增材制造對航空航天應用的研究重點迄今為止一直集中在靜態(tài)組件上。這背后的原因隨著增材制造材料表現(xiàn)出的力學性能的探索變得明顯,，這一主題將在本綜述的后面更詳細地探討,。

圖7所示。前緣新型冷卻通道的例子,。(a)整體架構,。(b)冷卻通道內部結構的CAD模型[42]。平均測量的冷卻孔尺寸(0.39 mm)略小于公稱尺寸(0.5 mm),，這凸顯了激光粉末床熔融仍需克服的公差挑戰(zhàn),。

由于LPBF在實現(xiàn)航空發(fā)動機部件的復雜結構方面顯示出了良好的初步效果，越來越多的公司表示有意投資這項技術,。Gisario等人綜述了金屬增材制造在商用航空工業(yè)中的應用,，Yong等人綜述了增材制造 IN718在高溫應用中的材料特性。例如,，NASA測試了一些LPBF制造的火箭噴射器,，證明這些部件能夠承受太空火箭發(fā)射過程中產生的熱量和壓力,。MTU航空發(fā)動機公司還宣布,，他們的PurePower PW1100G-JM發(fā)動機的內窺鏡凸臺現(xiàn)在將使用LPBF[50]生產。此外,，荷蘭航空航天中心與特溫特大學共同開發(fā)了一種用于空間應用的新型微型泵組件,，由無運動部件組成，如液壓閥[51],。由于其復雜的內部特性是其他方法無法獲得的,，因此只能使用LPBF制造這種微泵。GE航空在將增材制造引入航空航天行業(yè)中發(fā)揮了重要作用,，特別是通過收購SLMSolutions和Arc增材制造,，這兩家主要的增材制造公司分別專注于LPBF和EBM。為了證明這一原理,，通用航空公司制造了一個完全使用LPBF[52]的微型噴氣發(fā)動機,。盡管這款原型機的規(guī)模遠遠小于商用發(fā)動機，但在功能測試中它的轉速達到了3.3萬轉,，標志著LPBF在航空發(fā)動機制造中更廣泛地使用邁出了重要的一步,。他們還創(chuàng)造了一個只使用LPBF的傳感器外殼,，這使它成為第一個3D打印部件被批準使用的FAA [53]。其他演示材料,，如渦輪葉片,，使用EBM IN738LC打印出來，并組裝在一個圓盤上進行旋轉坑測試,，以驗證[54]葉片的機械完整性和設計,。

綜上所述，增材制造是一種很有前途的鎳基元件制造技術,。然而,，目前阻礙PBF更大規(guī)模開發(fā)的知識差距仍然很大。如果不能充分了解增材制造鎳基高溫合金的微觀結構和功能響應,，將嚴重限制該技術/材料組合的應用,。因此，我們必須對材料和工藝缺陷的起源有一個基本的認識,。