合金成分對鎳基高溫合金增材可制造性的影響

導(dǎo)讀：長三角G60激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：據(jù)悉,，這項工作為成分對這些材料的增材可制造性的作用提供了基本的見解,。

研究了鎳基高溫合金在激光粉末床增材制造過程中對加工誘發(fā)裂紋形成的敏感性,。證明了合金成分和加工性能之間的強(qiáng)烈相互依賴性,。開發(fā)了體視學(xué)程序,，以區(qū)分和量化發(fā)現(xiàn)的兩種主要缺陷類型：凝固裂紋和固態(tài)延性傾斜裂紋,。使用差示掃描量熱法,、1000°C下的蠕變應(yīng)力松弛試驗和800°C下的拉伸延展性測量來解釋合金成分的影響。提出了一種固態(tài)開裂模型,，該模型基于無法松弛由受限差熱收縮引起的熱應(yīng)力,；它的發(fā)展得到了使用約束棒冷卻試驗的實驗測量的支持�,；�于凝固范��,，提出了一種改進(jìn)的凝固開裂準(zhǔn)則，但也包括應(yīng)力松弛效應(yīng)的貢獻(xiàn),。

介紹
增材制造（AM）是一種新工藝,，特別適用于金屬和合金。通過與基于計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）的系統(tǒng)緊密集成,，以實現(xiàn)真正的數(shù)字化制造,，它開辟了以顯著的幾何精度進(jìn)行多功能部件設(shè)計的可能性。但與任何工藝一樣,，它的成功必須依賴于物質(zhì)原料,，而這正是一個兩難的境地。

根據(jù)ABD-900AM的ETMT拉伸試驗確定的預(yù)制微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能,。

本文考慮了鎳基高溫合金,。它們以其在航空、高超音速,、火箭和更廣泛的高溫技術(shù)中的應(yīng)用而聞名,。首先，其成分的復(fù)雜性要求存在多達(dá)15種不同的合金元素,；這擴(kuò)大了凍結(jié)范圍,，從而加劇了與凝固相關(guān)的開裂,，剩余的液體無法填充部分凝固的微觀結(jié)構(gòu)，然后通過收縮效應(yīng)將其拉開,。熱裂紋僅在高角度晶界（HAGB）上形成,，晶界偏析和隨后的液膜穩(wěn)定性影響裂紋的形成。

其次,，由于缺乏延展性,，高溫合金容易發(fā)生固態(tài)裂紋，特別是在700°C至900°C的所謂延展性下降區(qū),。與凝固裂紋更彎曲的性質(zhì)相比,，固態(tài)裂紋的特征是其形態(tài)長而尖銳。近年來的工作通過增加固溶體強(qiáng)化或通過控制γ素（γ′）含量來限制強(qiáng)度并提高延展性,，成功地緩解了此類裂紋的形成,。第三，其應(yīng)用的多功能性需要薄壁和中空結(jié)構(gòu),，以促進(jìn)輕量化和傳熱,。

在中等（左）和高（右）放大率下對裂紋進(jìn)行兩次EDS線掃描。

本文報告的工作正是基于上述考慮,。在這里,，我們避免了固定在一個合金系統(tǒng)上的誘惑，然后進(jìn)行徹底的加工試驗,，努力找出關(guān)鍵工藝變量（KPV）的最佳組合,，以優(yōu)化制造。

實驗
合金成分的選擇
本研究研究了12種不同的高溫合金成分,，包括5種新的成分和7種傳統(tǒng)等級,，包括中等γ′含量的鑄造/變形合金IN625, IN718和Waspaloy，以及廣泛用于熔模鑄造的IN713, IN738LC, IN939和CM247LC,，由于它們的高γ′含量,，這些合金顯示出優(yōu)良的蠕變性能。

增材制造
使用波長1075 nm的Renishaw AM 400脈沖光纖激光系統(tǒng),，在氬氣氣氛中通過激光粉末床熔合（L-PBF）方法進(jìn)行處理,。每種合金和幾何形狀都使用相同的參數(shù)進(jìn)行加工，這些參數(shù)是在先決條件研究的基礎(chǔ)上選擇的,，該先決條件研究優(yōu)化了加工條件,，以使用該制造系統(tǒng)最大限度地減少裂紋。

增材制造評估

通過測量裂紋嚴(yán)重程度和形態(tài)來評估打印適性,。在脈沖激光的情況下,，凝固發(fā)生在離散的熔化事件中。因此,，凝固裂紋的長度必須等于或小于單個熔池半徑,。為了在更高的空間分辨率上獲得關(guān)于裂紋機(jī)理的進(jìn)一步信息,，使用了蔡司Merlin Gemini 2場發(fā)射炮掃描電子顯微鏡(FEG-SEM)，并配備了牛津儀器(Oxford Instruments) XMax 150 mm/mm2能量色散x射線能譜(EDX)探測器,。圖1給出了CM247LC在3v直流電下用10%磷酸電解刻蝕后與熱處理后顯微組織的比較,。

圖1 (a) L-PBF制備過程示意圖，激光在連續(xù)的層中熔化粉末,，(b)發(fā)生凝固和固態(tài)裂紋的材料狀態(tài)和長度尺度,，以及相應(yīng)的SEM圖像示例(c)凝固裂紋和(d) IN939中的固態(tài)裂紋，以及(e)刻蝕CM247LC在打印狀態(tài)下的SEM顯微圖,，顯示了γ基體,、MC碳化物和熱處理狀態(tài)下的CM247LC與γ′沉淀。

機(jī)械和應(yīng)力松弛行為的評估

使用國家物理實驗室（NPL）開發(fā)的Instron電熱機(jī)械試驗機(jī)進(jìn)行了單軸拉伸,、等溫應(yīng)力松弛和約束冷卻試驗,。使用放電加工（EDM）沿構(gòu)建方向?qū)υ嚇舆M(jìn)行加工，尺寸如圖2所示,。為了消除任何機(jī)械加工引起的表面粗糙度的影響,，所有表面都用手拋光至4000粒。

圖2 應(yīng)力松弛和約束棒冷卻試驗期間溫度,、應(yīng)變和應(yīng)力分布隨時間變化的示意圖，以及所用的樣品幾何形狀,。

在室溫和800°C下對所有合金進(jìn)行了等溫單軸拉伸試驗,，該溫度代表了塑性下降可能嚴(yán)重的地方。采用非接觸式數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)測量應(yīng)變,；每種合金重復(fù)3次,。每種合金的彈性模量在150至300 MPa之間測定。在800°C下測定的模量與平衡γ′體積分?jǐn)?shù)的增加相關(guān),，見圖3,，但可能是由于γ固溶體中γ′形成物的貢獻(xiàn)。

圖3 （a）在ETMT上自由膨脹條件下進(jìn)行試驗前加熱期間測得的平均熱膨脹系數(shù)α與鋁含量（wt-pct）,；(b)在800∘C時測定的平均彈性模量與由Thermo Calc獲得的800℃餾分的平衡γ '體積分?jǐn)?shù),。誤差條表示測量的最小值和最大值。

進(jìn)行了應(yīng)力松弛試驗,，以量化合金釋放加工累積應(yīng)力的能力,。如圖2所示，將拉伸試樣加熱至1000°C,，使其自由膨脹,，然后以25 MPa/s的速度加載至100 MPa，然后立即將試樣夾具鎖定到位,，以觀察冷卻過程中的應(yīng)力松弛,。通過比較60秒后剩余的應(yīng)力來對應(yīng)力松弛能力進(jìn)行基準(zhǔn)測試,。

結(jié)果
關(guān)于裂紋嚴(yán)重程度、形態(tài)和機(jī)理的評估

實驗涉及裂紋的廣泛表征,，證明了成分對加工性能的顯著影響,。這在與圖4中構(gòu)建方向相對應(yīng)的XY橫截面法線的光學(xué)顯微照片中很明顯。傳統(tǒng)合金IN713,、IN738LC,、IN939和CM247LC以及兩種實驗成分ExpAM和ABD850AM+CB中普遍存在裂紋。在IN713和ExpAM中,，裂紋在XY平面上的分布是均勻的,，而其他裂紋在邊緣處的裂紋程度更大，有效激光掃描速度降低,。如果暫時不考慮表面開裂的普遍程度,，并考慮整體的開裂信息，則此處開發(fā)的不同裂紋嚴(yán)重程度測量值的數(shù)據(jù)計數(shù)密度和長度密度彼此一致,，見圖5,。當(dāng)在縱向XZ平面上進(jìn)行檢查時，裂紋明顯沿著構(gòu)建方向排列,，見圖6,，SEM圖像表明所有開裂合金中均存在固態(tài)和凝固型裂紋。固態(tài)裂紋傾向于呈現(xiàn)出長而直的形態(tài),，而凝固裂紋則呈現(xiàn)出更多的鋸齒狀,。

圖4 每種合金的XY平面的光學(xué)圖像，應(yīng)用二進(jìn)制閾值,，舉例說明每種合金中是否存在裂紋,。很明顯，ExpAM,、CM247LC,、IN939、IN713,、IN738LC和ABD850+CB表現(xiàn)出廣泛開裂,，因此不易加工。

圖5 顯示六種未加工合金裂紋長度密度和計數(shù)密度的條形圖,。

圖6 XZ平面的光學(xué)顯微照片,，舉例說明在CM247LC、IN939,、ExpAM和IN713的邊緣和內(nèi)部觀察到的裂紋,，以及在XZ平面上各合金中觀察到的凝固和固態(tài)裂紋的SEM顯微照片。

通過周面積比μm概率分布的核密度估計,，總結(jié)了不同合金中裂紋的形態(tài),。6種裂紋合金中裂紋周長與面積比μm−1的概率分布的核密度估計總結(jié)了不同合金中裂紋的形態(tài),，見圖7。凝固裂紋以其特征性的鋸齒狀形態(tài)和較低的周長面積比為特征,，在IN738LC,、IN939、CM247LC和ABD850AM+CB中出現(xiàn)的程度更大,。

圖7 小提琴圖顯示了中值,、四分位范圍、下限/上限相鄰值和周長/面積比的概率分布,。以及凝固和固態(tài)裂紋示例及其相應(yīng)的周長/面積值,。

最后，再次考慮一些合金——IN738LC,、IN939,、CM247LC和ABD850AM+CB在樣品邊緣出現(xiàn)裂紋增加的傾向。在樣品邊緣使用的較慢掃描速度導(dǎo)致較粗的微觀結(jié)構(gòu)不太能夠適應(yīng)應(yīng)變,，與大塊相比,，具有增加紋理成分的較大晶粒。此外,，樣品邊緣處理時具有更大的能量密度和更大的熔體池,。

機(jī)械性能對增材可制造性的影響

合金的拉伸響應(yīng)

圖8顯示了IN625、AM-Dev和CM247LC合金在10−2s−1處的拉伸響應(yīng)的溫度依賴性,。傳統(tǒng)合金IN625和CM247LC分別作為整個溫度范圍內(nèi)流變應(yīng)力的下界和上界,，這是因為合金的合金化程度略大或略小。在25°C至600°C之間,，延展性顯著;然而，在800°C到1000°C之間,，延性顯著下降,。

上述發(fā)現(xiàn)證明了對延性下降區(qū)中應(yīng)變對破壞的成分依賴性進(jìn)行徹底研究的合理性。本研究選擇了800°C的溫度,。研究發(fā)現(xiàn),，所研究合金在800°C下的延展性在1-40%的范圍內(nèi)變化，見圖9,。發(fā)現(xiàn)在加工過程中開裂的合金延展性顯著降低,。特別是易發(fā)生固態(tài)裂紋的IN713和ExpAM合金在應(yīng)變<1.5%時發(fā)生脆性斷裂，幾乎沒有頸縮,。在這種情況下,，其工程破壞應(yīng)變被定義為發(fā)生脆性斷裂的應(yīng)變。

圖8（a）IN625,、（b）AM Dev和（c）CM247LC在25,、600,、800、1000和1100°C溫度下的等溫拉伸響應(yīng),�,？偨Y(jié)了（d）彈性模量、（e）流動應(yīng)力和（f）破壞應(yīng)變的溫度依賴性,。

圖9（a）可加工的傳統(tǒng)合金（b）不可加工的傳統(tǒng)合金（c）可加工的新型合金（d）800°c下不可加工的新型合金,。（e）平均流動應(yīng)力與平均工程應(yīng)變在800°c下的拉伸響應(yīng)在3次測試后，誤差條顯示了3次重復(fù)的最小值和最大值,。（f） 25°C下的流動應(yīng)力與工程應(yīng)變的關(guān)系,。

綜上所述，很明顯,，可加工合金在800°C時保持一定的延展性,，而不可加工合金則沒有�,？梢钥闯�,，在800°C下，在加工過程中產(chǎn)生裂紋的合金在小于7%的失效工程應(yīng)變下失效,。相反,，所有易于加工的合金都能夠承受大于7%的工程應(yīng)變。強(qiáng)度/延展性權(quán)衡是顯而易見的,。在所有12種合金中,，在室溫試驗期間觀察到良好的延展性（>15%的工程應(yīng)變失效）。這證實了高溫下預(yù)先存在的缺陷的影響可以忽略不計,，以及高溫脆化機(jī)制的相關(guān)性,。

應(yīng)力松弛行為

圖10比較了初始施加應(yīng)力為100 MPa時，不同合金在1000°C下的等溫應(yīng)力松弛響應(yīng),。這些曲線具有一些共同特征,，但也存在差異。在前10秒內(nèi)觀察到一個顯著的瞬態(tài),，其特征是應(yīng)力迅速下降,，在較長時間內(nèi)逐漸衰減。

圖10（a）可加工傳統(tǒng)合金（b）不可加工傳統(tǒng)合金（c）可加工新型合金（d）不可加工新型合金在1000°C下的應(yīng)力松弛行為,。

最耐蠕變的合金是鋁,、鈦、鉭和鈮含量較高的合金,，如CM247LC,、IN939、IN738LC和AM-Dev。然而,，同樣明顯的是,，一些合金，如ABD850AM,、ABD900AM和AM-Dev,，其應(yīng)力釋放速度并不比那些例如ABD850AM+CB和ExpAM的應(yīng)力釋放速度慢得多，這些合金的打印效果較差,。因此,，應(yīng)力松弛能力不能單獨負(fù)責(zé)賦予增材可制造性。

對于939,、Waspaloy,、AM-Dev和ABD850AM+CB中的某些合金，已在多個溫度下進(jìn)行了進(jìn)一步測試,，見圖11,。正如預(yù)期的那樣，顯示出對溫度的強(qiáng)烈依賴性,。

圖11（a）ABD850AM+CB（b）AM-Dev（c）Waspaloy和（d）IN939在不同溫度下的應(yīng)力松弛行為,。

約束冷卻期間的應(yīng)力發(fā)展

迄今為止的結(jié)果表明，缺乏打印適性可能在某種程度上與約束冷卻過程中的應(yīng)力積累以及中溫狀態(tài)下的延展性不足有關(guān),。這促使使用固定夾點試驗評估約束冷卻期間的非等溫應(yīng)力累積,，該試驗涉及在50°C/s下從1100°C冷卻，見圖12,。

圖12以50°C/s的冷卻速率對CM247LC,、IN939、Waspaloy,、ABD850AM+CB和IN625合金在約束棒冷卻過程中產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行比較,。

在50°C/s的冷卻速度下——接近使用ETMT機(jī)器配置的最快速度，合金會產(chǎn)生不同程度的應(yīng)力,，見圖12,。在評估的合金中，CM247LC和IN625中的應(yīng)力分別最大和最小,。有趣的是，至少在沒有施加進(jìn)一步疊加的機(jī)械應(yīng)變的情況下,，我們從未能夠在這種約束棒試驗中復(fù)制裂紋,。當(dāng)以25°C/s的較慢速度進(jìn)行冷卻時，累積的應(yīng)力隨之減少,。

打印態(tài)微觀結(jié)構(gòu)的表征和凍結(jié)范圍的影響

打印態(tài)微觀結(jié)構(gòu)

在所有情況下,，打印態(tài)微觀結(jié)構(gòu)都包括優(yōu)先在構(gòu)建方向上排列的長柱狀晶粒。有三個明顯的特征：（i）基質(zhì)γ的細(xì)胞具有非常小或沒有次級枝晶臂,；（ii）具有不同蝕刻特性和可能成分的狹窄胞間區(qū)域,，以及（iii）主要位于胞間區(qū)域的碳化物,。需要強(qiáng)調(diào)的是，在打印態(tài)或800°C拉伸試驗后的任何合金中均未檢測到γ′沉淀相,。通過同步加速器X射線衍射獲得的最新數(shù)據(jù)進(jìn)一步證實,，以這種方式加工的高溫合金在打印態(tài)下不含γ′�,？焖倮鋮s速度會導(dǎo)致間距在300 nm至1.5μm范圍內(nèi)的非常精細(xì)的細(xì)胞形態(tài),，這取決于樣品邊緣的接近程度。

圖13顯示了通過EDX線掃描檢測到的CM247LC,、IN625和ExpAM中細(xì)胞間碳化物的富集,。

圖13在800°C拉伸測試后打印的微觀組織的背散射電子(BSE)顯微圖，顯示了γ基體和胞間碳化物,，以及通過碳化物的EDX線掃描,，顯示了碳化物在(a) CM247LC， (b) IN625和(C) ExpAM中富集,。

在CM247LC中,，高倍率下的EDX分析揭示了在凝固裂紋尖端存在連續(xù)的溶質(zhì)富集膜。從碳化物中分離出來的Ta和Hf的富集,，如圖14所示,，證實了這些溶質(zhì)分配到最終凝固液中。在主要由固態(tài)機(jī)制產(chǎn)生裂紋的IN713中,，未觀察到此類連續(xù)溶質(zhì)富集,，只有不連續(xù)相，如圖14所示,。

圖14分別在（a）IN713和（b）CM247LC中觀察到的典型固態(tài)裂紋和凝固裂紋的裂紋尖端的SEM和EDX分析,。

差示掃描量熱法和熱力學(xué)建模

凝固范圍的大小很可能是凝固裂紋敏感性的一個良好指標(biāo)。在較寬的凝固間隔內(nèi),，容易發(fā)生凝固型裂紋凍結(jié)的合金,。圖15顯示了凍結(jié)范圍的大小（i）通過差示掃描量熱法測量,，以及（ii）和（iii）通過分別使用TCNI8和TTNi8熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫在Scheil條件下通過熱力學(xué)模擬對凝固路徑進(jìn)行建模,。DSC和TCNI8數(shù)據(jù)庫的估計表明，在所研究的12種合金中,，易于凝固開裂的合金ABD850AM+CB,、IN738LC和IN939具有最寬的凝固范圍。

ExpAM的DSC信號和標(biāo)記的相變溫度如圖16所示,。模擬預(yù)測的固相線溫度明顯低于差示掃描量熱試驗,，即使在γ′形成物含量最高的合金中，也能完全抑制γ′沉淀。

圖15總結(jié)了（a）通過DSC和Scheil模型實驗確定的凍結(jié)范圍,，使用（b）TCNI8和（c）TTNi8熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫,。

圖16來自ExpAM的DSC信號和通過解釋（a）加熱循環(huán)和（b）冷卻循環(huán)確定的各自相變。

分析和討論

冷卻過程中導(dǎo)致固態(tài)開裂的應(yīng)力發(fā)展建模

進(jìn)一步的實驗表明,，冷卻速度確實在一定程度上影響應(yīng)力的積累,，見圖17，其中包括ABD850AM+CB,、Waspaloy和IN939的數(shù)據(jù),。顯然，冷卻速度越慢,，應(yīng)力松弛的時間就越長,。特別是對于強(qiáng)度更高的IN939合金，應(yīng)力隨溫度的初始變化率不依賴于冷卻速度,，這意味著需要根據(jù)熱彈塑性行為進(jìn)行解釋,，而蠕變松弛在該初始狀態(tài)中不起任何作用。圖18進(jìn)一步深入了解了這些測試中發(fā)生的情況,，考慮到此處考慮的強(qiáng)度最低和強(qiáng)度最高的合金,，分別為IN625和CM247LC。這兩種情況下測得的應(yīng)力隨溫度的變化與初始溫度1100°C以下幾百度的彈性模量,、熱膨脹效率和溫差EαΔT的乘積密切匹配,。對于較弱的合金IN625，在低溫下確定的約束棒試驗中測得的應(yīng)力與測得的流動應(yīng)力很好地匹配,，僅與較弱的加工硬化效應(yīng)一致,。

圖17在（a）ABD850AM+CB、（b）Waspaloy和（c）IN939中以不同速率冷卻期間的應(yīng)力演變,。


圖18 50°C/s冷卻期間的應(yīng)力演變與（a）IN625和（b）CM247LC的溫度相關(guān)流動應(yīng)力和線熱彈性應(yīng)力發(fā)展疊加,。

在Waspaloy的情況下，初始彈性響應(yīng)很小,，蠕變在圖19中考慮的緩慢冷卻速率中占主導(dǎo)地位,，直到900°C左右，此時行為是彈性的,。它在以下溫度下變成熱塑性∼700°C,。對于表現(xiàn)出更大蠕變阻力的CM247LC,，變形最初在較寬的溫度范圍內(nèi)為線熱彈性,，直到在∼700°C以下溫度下再次出現(xiàn)速率不敏感塑性,。在每種情況下，發(fā)生蠕變的溫度范圍都很小,，因此在冷卻期間發(fā)生有限的蠕變變形。

圖19冷卻過程中實驗測量的應(yīng)力與（a）Waspaloy和（b）CM247LC應(yīng)力（左軸）和應(yīng)變（右軸）發(fā)展的擬合熱彈塑性粘塑性模型的比較。

總之,，本節(jié)中的分析允許確認(rèn)一些關(guān)鍵點,。首先，證據(jù)的平衡表明,，由于脆性普遍存在,，易受影響合金中的固態(tài)裂紋將在延性下降區(qū)發(fā)生。其次,，由于AM工藝的冷卻速度非�,？欤瑧�(yīng)力的發(fā)展將是熱彈塑性的,，因此對于最高強(qiáng)度的合金,，應(yīng)力松弛對裂紋敏感性的成分依賴性影響很小。第三,，盡管如此,，合金成分仍然很重要：合金化程度越大，產(chǎn)生的驅(qū)動裂紋的應(yīng)力越大,，在延性下降區(qū)域超過屈服應(yīng)力的風(fēng)險越大,。因此，更高的合金強(qiáng)度會加劇開裂風(fēng)險,，但對于任何給定的強(qiáng)度,，如果低溫延展性更大，則風(fēng)險會降低,。這兩個因素通過強(qiáng)度/延性關(guān)系密切相關(guān),。

凝固裂紋敏感性分析

到目前為止，凝固裂紋的發(fā)生與凍結(jié)范圍的大小以及裂紋尖端存在連續(xù)的溶質(zhì)富集膜有關(guān),。但應(yīng)考慮許多成分相關(guān)的凝固開裂標(biāo)準(zhǔn),。在每種情況下，都可以識別參數(shù)Φ,，該參數(shù)預(yù)計會隨著裂紋敏感性而擴(kuò)展,。

圖20總結(jié)了所考慮的不同標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)測�,？梢钥闯�,，除了通過實驗評估的DSC軌跡評估的CD指數(shù)（這可能低估了凝固范圍）外，這些指數(shù)與我們通過實驗確定的凝固裂紋敏感性的結(jié)果一致,。

圖20根據(jù)Clyne-Davies準(zhǔn)則,、Rappaz-Drezet-Gremaud準(zhǔn)則、Kou準(zhǔn)則和修正的Clyne-Davies準(zhǔn)則預(yù)測的凝固裂紋敏感性,，每一個都是通過實驗確定的凝固路徑的函數(shù),，并通過Scheil和TCNI8和TTNi8數(shù)據(jù)庫確定,。

最后考慮

在目前的工作中產(chǎn)生的加工顯微組織的一個有趣的方面是，由于快速冷卻速率導(dǎo)致的γ→γ+γ′反應(yīng)的抑制,，γ′相的缺失,。結(jié)果表明，不同的強(qiáng)度水平源于不同的固溶硬化程度,，因為相同的加工參數(shù)產(chǎn)生相似的面內(nèi)晶粒尺寸分布,，從而通過Hall–Petch效應(yīng)產(chǎn)生近似相似的亞結(jié)構(gòu)硬化程度。

圖21（a）實驗測定的流動應(yīng)力與800°C下固溶體強(qiáng)化模型的比較,，以及（b）強(qiáng)化系數(shù)作為3d,、4d和5d組溶質(zhì)原子序數(shù)的函數(shù)。

通過查閱文獻(xiàn),，將得到的值與Roth等人在更稀的合金上測定的值進(jìn)行比較,。當(dāng)把ki系數(shù)作為i元素在過渡金屬的d區(qū)位置的函數(shù)來繪制時，可以看到d區(qū)最西邊的元素以原子百分比為基礎(chǔ),，具有更大的硬化程度,。此外，可以看出d塊各柱的硬化程度符合5d>4d>3d,，見圖21,。

盡管之前的工作表明，改善固溶強(qiáng)化可以改善加工性能,，但本文的研究表明,，這是延展性而非強(qiáng)度的耗盡——如果要接近最佳強(qiáng)度水平，則必須授予無裂紋打印,。圖22對此進(jìn)行了簡要總結(jié),。一般來說，強(qiáng)度/延展性權(quán)衡是明顯的,，因為延展性損失區(qū)域中的宏觀伸長率(∼800°C）由晶粒內(nèi)部塑性和晶界內(nèi)聚力的平衡決定,。對于非常強(qiáng)的合金，如CM247LC和ExpAM,，失效機(jī)制為純晶間失效,，見圖23，這意味著晶界是不可加工合金的延性極限特征,。

圖22根據(jù)800°C（右軸）下裂紋嚴(yán)重程度和流動應(yīng)力的測量結(jié)果,，展示了四類合金的加工圖，作為其在800°C下延展性的函數(shù),。

圖23在800°C下進(jìn)行拉伸試驗后,，CM247C、AM Dev和IN625的斷裂面顯示了從晶內(nèi)/穿晶斷裂到晶間斷裂的過渡,。

總結(jié)和結(jié)論

本文詳細(xì)研究了鎳基高溫合金的增材可制造性,。采用激光粉末床熔合技術(shù),。研究了12種不同的合金，其中一些是傳統(tǒng)類型,，但也有一些是專門為此工藝設(shè)計的新合金,。重點放在成分對開裂敏感性的影響上。從這項工作中可以得出以下具體結(jié)論：

1.已證明可加工性與合金成分有關(guān),。在所研究的12種合金中，定量體視學(xué)證實,，在所采用的實驗條件下,，一半容易形成加工誘發(fā)的裂紋缺陷。特別是,，IN713和ExpAM成分容易出現(xiàn)固態(tài)開裂,，而CM247LC、IN738LC,、ABD850AM+CB和IN939則表現(xiàn)出固化開裂的趨勢,。

2.固態(tài)開裂是由于在800°C（<7%）下拉伸延展性的顯著損失引起的，這在所有不可加工合金中普遍存在,，尤其是IN713和ExpAM合金,，其拉伸延展性小于1%。體視學(xué)分析表明,，這種脆性是晶間脆性,，意味著晶界薄弱，并且隨著γ′前體含量的增加而加劇,。

3.一維約束桿的熱彈塑性粘塑性分析揭示了加劇固態(tài)裂紋的因素,。在所經(jīng)歷的冷卻速率下，蠕變驅(qū)動的應(yīng)力松弛似乎不會對這種效應(yīng)產(chǎn)生很大影響,。相反,，加工受到延性下降區(qū)脆性的影響。然而,，在任何給定的強(qiáng)度水平下,，似乎都有可能找到可加工的合金和其他不可加工的合金。

4.當(dāng)發(fā)生凝固裂紋時,，合金在較寬的溫度區(qū)間內(nèi)凍結(jié),，并以較慢的速度（通過蠕變過程）釋放應(yīng)力。C含量增加和富含Hf/Ta的裂紋尖端的存在是通過凝固機(jī)制開裂的合金的特征,。

5.遵循Clyne Davies,、Rappaz和Kou的凝固開裂標(biāo)準(zhǔn)被視為使我們關(guān)于凝固開裂的發(fā)現(xiàn)合理化的一種手段。然而,，它們不考慮成分相關(guān)的近固相線力學(xué)性能,，這可能對無裂紋加工所需的應(yīng)力松弛過程很重要,。提出了一種改進(jìn)的克萊恩-戴維斯模型來解釋這一點。

6.比較了現(xiàn)有和新設(shè)計合金的加工/性能關(guān)系,。結(jié)果表明,，可以接近前者的強(qiáng)度水平，同時產(chǎn)生明顯缺乏的AM加工性能,。

7. 我們的結(jié)果為進(jìn)一步改進(jìn)新合金提供了途徑,。由于蠕變弛豫似乎在固態(tài)裂紋現(xiàn)象中沒有發(fā)揮作用，因此,，我們有可能設(shè)計出與適合AM加工的最佳常規(guī)鑄造級的抗蠕變合金,，只要它們能抗凝固裂紋。

來源：On the Influence of Alloy Composition on the Additive Manufacturability of Ni-Based Superalloys, Metallurgical and Materials Transactions A, 10.1007/s11661-021-06568-z

參考文獻(xiàn)：D. Herzog, V. Seyda, E. Wycisk, C. Emmelmann, Acta Mater. 117, 371–392 (2016)