西工大黃衛(wèi)東教授團(tuán)隊(duì)：3D打印稀土金屬氧化物增強(qiáng)鎳基高溫合金

來(lái)源 :增材制造技術(shù)前沿

2022年,，西北工業(yè)大學(xué)黃衛(wèi)東教授團(tuán)隊(duì)在3D打印稀土氧化物增強(qiáng)鎳基高溫合金領(lǐng)域取得了新突破,。相關(guān)研究成果在中科院材料科學(xué)一區(qū)top期刊《Materials Science and Engineering: A》上以“Microstructure and mechanical properties of Y2O3 strengthened Inconel 625 alloy fabricated by selective laser melting”為題發(fā)表，其中通訊作者為王理林副研究員,、林鑫教授,、楊海歐副研究員等人。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.143813


氧化物彌散強(qiáng)化（ODS）合金由金屬基體和彌散在基體中的納米氧化物顆粒組成,。稀土金屬氧化物具有高熔點(diǎn)等特征,，因此ODS合金通常在高溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性。由于鑄造等緩慢熔化和凝固過(guò)程中難以防止這些稀土金屬氧化物的團(tuán)聚和長(zhǎng)大,。粉末冶金是制造ODS合金的常用方法,，稀土金屬氧化物首先通過(guò)高能球磨工藝機(jī)械合金化引入基體粉末中，然后通過(guò)后續(xù)材料成型和適當(dāng)后熱處理（如熱等靜壓,、火花等離子燒結(jié),、熱軋或熱擠壓）使基體中存在納米級(jí)金屬氧化物。這些復(fù)雜制造工藝非常耗時(shí),，并且難以生產(chǎn)具有復(fù)雜幾何形狀的零件,，限制了ODS合金的應(yīng)用。

選區(qū)激光熔化是基于粉末的3D打印工藝之一,，在SLM過(guò)程中極高的冷卻速率（106–8K/S）凝固液態(tài)金屬,。與傳統(tǒng)鑄造工藝不同，ODS合金的SLM過(guò)程中熔池的快速熔化和凝固可以抑制氧化物的長(zhǎng)大,。由于成本低,、化學(xué)穩(wěn)定性高，Y2O3顆粒是傳統(tǒng)ODS合金中最常見(jiàn)的氧化物,，特別是它有利于鎳基高溫合金的高溫性能和抗蠕變性,。但目前關(guān)于Y2O3增強(qiáng)IN625高溫合金的研究非常有限，在這項(xiàng)工作中作者團(tuán)隊(duì)首次研究了SLM制備Y2O3增強(qiáng)IN625合金組織演化以及相應(yīng)熱處理組織和室高溫力學(xué)性能,。

IN625合金粉末采用等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化工藝制備,，粉末粒徑分布在15-45μm（圖2a）,，Y2O3粒度分布10-30 nm（圖2b）。SLM制備的原料為1%的Y2O3和99%的Y2O3,�,；旌戏勰┰赩CM-1K機(jī)器中混合持續(xù)18分鐘，圖2d-f為混合后的粉末形貌及元素分布,。樣品是在BLT-S200 SLM設(shè)備上打印,，主要工藝參數(shù)為層厚（D）20 μm，掃描間距（H）80 μm,，激光功率（P）95,、135和175W，掃描速度（V）600,、750,、900、1050和1200mm/s,，層間掃描角度為67°,。在打印過(guò)程中連續(xù)供應(yīng)氬氣氣氛，氧氣濃度始終低于100ppm,。

圖 2 粉末形態(tài)和元素分布圖：（a）IN625;（b,、c）Y2O3;（d） Y2O3/IN625;（e，f）混合粉末元素分布

研究結(jié)果表明了致密度和激光能量密度之間的關(guān)系（E=PVD/H),，如圖3所示。致密度首先隨著E的增加而增加到峰值,，然后隨著E的進(jìn)一步增加而降低,。當(dāng)E為93.8 J/mm3時(shí)，樣品致密度僅為98.9%,，OM圖中存在較大的不規(guī)則形狀孔隙,。當(dāng) E 增加到 145.8 J/mm3時(shí)，試樣實(shí)現(xiàn)了99.6%的最高密度,，僅有少量約0.5μm的微小孔隙,。當(dāng)E增加到182.3 J/mm3時(shí)，試樣致密度降低到99.2%,，孔隙率的數(shù)量和大小再次增加,。

圖3 樣品致密度隨激光能量密度變化以及三個(gè)不同能量密度處樣品的OM圖像

同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)樣品沿打印方向XOZ平面中存在大柱狀晶，如圖4（a,、c）,，大多晶粒尺寸小于100 μm。直接打印的IN625和Y2O3/IN625合金的XOZ平面平均晶粒尺寸為23.1μm 和21.6μm,，Y2O3的添加顯著減小了樣品晶粒尺寸,。對(duì)IN625和Y2O3/IN625樣品進(jìn)行1200 °C固溶處理1 小時(shí)后（HT）,，樣品微觀組織由于重結(jié)晶而具有退火孿晶的等軸晶，如圖4（e和g）,。HT-IN625和HT-Y2O3/IN625在XOZ平面上的平均晶粒尺寸分別為51.9和25.1μm,，表明HT-Y2O3/IN625中的Y2O3氧化物顆粒在熱處理過(guò)程中可有效抑制晶粒生長(zhǎng)，并且所有樣品XOY平面和XOZ平面晶粒演變基本一致,。

圖 4 樣品XOZ和XOY平面的EBSD圖像：（a,，b）沉積態(tài)IN625樣品；（c,、d）沉積態(tài)Y2O3/IN625樣品,；（e，f）HT-IN625樣品,；（g,，h）HT-Y2O3/IN625樣品

直接打印的IN625、Y2O3/IN625,、HT-IN625和HT-Y2O3/IN625樣品微觀結(jié)構(gòu)大多是初級(jí)γ柱狀晶并沿打印方向生長(zhǎng),，在直接打印的IN625樣品的柱狀晶中存在白色Laves相，如圖5（a）所示,，一些γ柱狀晶也存在等軸或細(xì)長(zhǎng)的胞狀結(jié)構(gòu),。對(duì)于直接打印的Y2O3/IN625樣品，γ柱狀晶在XOZ平面上生長(zhǎng)方向比較雜亂,。直接打印的IN625和Y2O3/IN625具有較小的一次枝晶臂間距,，約為0.67μm和0.68 μm。熱處理后晶粒內(nèi)部的白色Laves相溶解到γ基體中,，γ柱狀晶消失,。與HT- Y2O3/IN625試樣相比，HT-IN625試樣具有更大的γ晶和更多退火孿晶（圖5c,、d）,。此外在Y2O3/IN625中觀察到少量約為0.5-3.5μm的黑色顆粒（圖5b），EDS表明顆粒中Al和Ti的濃度很少,，O和Y的原子比約為1.5,，如圖5（b、d）,。這些粒子尺寸約為100-200 nm如圖5（d）,，由此推測(cè)它們是 Y2O3粒子。

圖 5 樣品XOZ平面的SEM圖像：（a）IN625;（b）Y2O3/IN625;（c）HT-IN625和（d）HT-Y2O3/IN625

STEM觀察到白色顆粒在γ基體中均勻分布,，元素分析表明主要是O和Y元素,，原子分?jǐn)?shù)如圖6（a、b）所示。衍射斑點(diǎn)表明顆粒是體心立方晶格結(jié)構(gòu)如圖6（c）,。結(jié)合元素分析表明這些白色顆粒是具有體心立方體結(jié)構(gòu)的Y2O3,，在HT-Y2O3/IN625內(nèi)部的尺寸分布的如圖6（d）所示。

圖6 樣品透射電鏡圖像：（a）Y2O3/IN625,；（b,、c） HT-Y2O3/IN625；（d）Y2O3顆粒在HT-Y2O3/IN625中的粒徑分布

最后作者測(cè)試了樣品在20,、800和1100°C下的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線和拉伸性能（圖7）,。在20°C時(shí)，屈服后存在明顯的加工硬化,，然后頸縮和斷裂相繼發(fā)生,，HT-Y2O3/IN625和HT-IN625的屈服強(qiáng)度分別為394MPa和439 MPa，添加稀土金屬氧化物后屈服強(qiáng)度提高了45MPa,。在800 °C時(shí),，樣品發(fā)生了動(dòng)態(tài)應(yīng)變老化，這種現(xiàn)象在其它高溫鎳基中也常常發(fā)生,，主要是由固溶原子與可移動(dòng)位錯(cuò)之間的相互作用引起的,，之后由于動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)重結(jié)晶，試樣經(jīng)歷軟化階段,，HT-Y2O3/IN625和HT-IN625的屈服強(qiáng)度分別為273 MPa和333 MPa,，添加金屬氧化物后屈服強(qiáng)度提高了60 MPa。在1100°C時(shí),，試樣在屈服點(diǎn)后迅速軟化,，沒(méi)有動(dòng)態(tài)應(yīng)變老化，HT-Y2O3/IN625和HT-IN625的屈服強(qiáng)度分別為48 MPa和54 MPa,，添加金屬氧化物后屈服強(qiáng)度提高6 MPa（表1）,。

圖7 HT-IN625和HT-Y2O3/IN625的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線：（a）20、（b）800和（c）1100°C,；（d）試樣的機(jī)械性能

表1 不同樣品在不同溫度下斷裂后的平均屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率

總的來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)研究使用SLM成功制備出IN625和Y2O3/IN625樣品,，Y2O3/IN625試樣晶粒生長(zhǎng)在熱處理過(guò)程中受到抑制,，退火孿晶數(shù)量減少，主要由于Y2O3分散性好,，在Y2O3/IN625樣品中形成強(qiáng)化粒子,。Y2O3/IN625屈服強(qiáng)度在室溫和高溫下均高于IN625試樣，這主要是由于Y2O3起到彌散強(qiáng)化作用,。雖然 Y2O3降低了室溫延展性,，但高溫延展性增加，主要是由于Y2O3提高了高溫下晶界的強(qiáng)度和抗氧化性,。