通過添加微量Sc同步增強鎳基高溫合金的可3D打印性與性能

來源： 增材制造技術(shù)前沿

鎳基高溫合金在制造需要承受極端環(huán)境和熱應力的產(chǎn)品中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,。其中,，主要由Ni3(Al, Ti)組成的γ′相是鎳基高溫合金的關(guān)鍵強化相,。因此，Al和Ti的比例對于實現(xiàn)高含量的γ′相和優(yōu)異性能至關(guān)重要,。然而,，高含量的γ′相會導致可打印性能下降，并在3D打印過程中形成凝固裂紋,。特別地,，Al + Ti含量超過6wt%的鎳基高溫合金被認為是不可焊接的。因此,，研究人員正付出大量努力,，通過3D打印生產(chǎn)無缺陷的高Al和高Ti鎳基高溫合金。

例如,，通過降低制造過程中的溫度梯度來減輕鎳基高溫合金的內(nèi)部應力,，從而緩解其開裂傾向。同時,，通過調(diào)整化學成分或引入第二相粒子,，合金設(shè)計被證明能夠最小化開裂敏感性。調(diào)整微量元素如B,、C,、Zr可以增強合金的機械性能，但它們也可能在3D打印過程中引發(fā)熱裂紋,。

眾所周知,，添加微量稀土元素可以顯著改善合金的機械性能,。增材制造技術(shù)前沿注意到，來自中南大學的研究人員近日發(fā)表了題為“Synchronously enhanced printability and properties of additively manufactured nickel-based superalloys via alloying minor Sc”的文章,，在不改變主要元素,、不增加合金制造成本的情況下，通過添加微量稀土元素Sc來抑制不可焊接鎳基高溫合金在增材制造過程中的開裂問題,。

https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.03.087
本研究采用了含有7wt% Al + Ti,、13% Co、12% Cr,、4% Mo,、4% W、4% Ta以及≤0.3%的C+B+Zr+Hf組合的13Co鎳基超合金材料,。通過添加約0.01%的Sc,，制備了13Co + Sc合金變體。采用霧化法制備了粒徑范圍為10-63 μm的35Co和13Co + Sc粉末,，并進行了篩分,，采用SLM技術(shù)成功制備了無需后續(xù)熱處理的試樣。

研究發(fā)現(xiàn),，13Co合金中存在許多裂紋和孔隙,，大部分與建造方向平行，其中一些裂紋長達數(shù)百微米,。相比之下,，13Co + Sc合金中的裂紋較少且較短，只觀察到微小裂紋和球形孔隙,。13Co和13Co + Sc合金的密度分別為98.5%和99.4%,。EBSD分析表明，與13Co合金相比,，13Co + Sc合金的平均晶粒尺寸更小,。此外，13Co + Sc合金顯示出明顯的柱狀晶粒定向生長,，長度可達300–500 μm�,？棙�(gòu)強度分析顯示,，13Co + Sc合金的擇優(yōu)生長方向更為顯著，其織構(gòu)最大強度為15.45,，而13Co合金的織構(gòu)強度僅為5.74,，表明13Co合金的晶粒生長方向更為隨機。這些差異歸因于Sc元素的添加,，它細化了晶粒并增強了合金承受熱應力和凝固收縮的能力,，盡管兩種合金的激光加工條件相同,。

a.光學顯微鏡圖像；b.打印合金的裂紋密度,、孔隙率和相對密度,；c).13Co合金和13Co+Sc合金的XRD圖譜； (d1) 13Co 和 (d2) 13Co + Sc 的 EBSD 圖像,；(e1) XZ 平面和 (e2) XY 平面的晶粒尺寸分布,；分別為打印態(tài)13Co 和13Co + Sc 在 XZ 平面的極圖

盡管兩種合金都含有類似類型的白色納米析出物，但它們的內(nèi)部形態(tài)卻有所不同,，這很可能是由于添加了Sc元素,。在鎳基超合金中添加Sc會導致形成新的Al3Sc析出相，該析出相與Ni基體之間形成一致界面,。這有助于異質(zhì)形核,，促進晶粒細化，并使碳化物和硼化物在晶界上分布更為均勻,。此外,，Sc還有助于緩解B和C等元素在晶界的濃度，從而減少熱應力的累積,，并在一定程度上防止裂紋的形成,。這些效應共同增強了13Co + Sc合金的機械性能和微觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

a.13Co和13Co+Sc合金在環(huán)境溫度下的拉伸性能,；b,c.13Co合金和(d,e)13Co+Sc合金的斷裂形貌

13Co合金的屈服強度為756 MPa,，拉伸強度為846 MPa，延伸率為6.3%,。相比之下,，13Co + Sc 合金表現(xiàn)出更好的性能，屈服強度為906 MPa,，拉伸強度為1036 MPa,，延伸率為 8.9%。這意味著與13Co合金相比,，13Co+Sc合金的屈服強度增加了約19.8%,，拉伸強度增加了22.5%，伸長率增加了41.3%,，凸顯了Sc 添加對機械性能的有益影響,。

對13Co合金的拉伸斷口分析顯示，存在許多裂紋和較大的開口,，裂紋往往沿枝晶路徑擴展,，這是由于凝固問題所致。相比之下,，13Co + Sc合金內(nèi)部裂紋較少,，并顯示出穿晶斷裂面,，同時存在許多凹坑，這表明合金具有較高的塑性,。這一現(xiàn)象歸因于13Co + Sc合金內(nèi)部裂紋較少,，以及晶間結(jié)合力更強。這些特點使得13Co + Sc合金在受力時能夠更好地抵抗裂紋擴展,，從而提高其整體力學性能,。

總的來說，本文研究了Sc對增材制造鎳基超合金微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響,。結(jié)果表明,，Sc促進了晶粒細化，并使碳化物和硼化物等低熔點相在晶界上的分布更加均勻,，減少了熱應力的積累,，抑制了裂紋的形成，從而提高了增材制造超合金的可打印性和性能,。這些發(fā)現(xiàn)為優(yōu)化鎳基超合金的增材制造工藝和提高其實際應用性能提供了重要的理論依據(jù),。