（南昌航空大學 焊接工程系，南昌 330036）

鈷基高溫合金是一種以鈷為主要元素，加入相當數(shù)量的鎳、鉻、鎢和少量其他元素，對基體進行強化的一類合金。由于鈷基高溫合金在高溫時具有較高的強度、良好的抗熱疲勞、耐熱腐蝕和耐磨性能，與鎳基高溫合金相比，具有更高的熱導率和更低的熱膨脹性能，被廣泛用于制造航空噴氣發(fā)動機、工業(yè)燃氣輪機、艦船燃氣輪機的導向葉片和噴嘴導葉以及柴油機噴嘴等[1—3]。增材制造技術是一種融合了計算機、材料和三維數(shù)字建模等內(nèi)容的高新技術，是一種復雜零件近成形技術，由于其具有材料利用率高、制造周期較短和能夠制造較為復雜零件等優(yōu)點，在航空航天領域具有一定的應用前景[4—5]。將增材制造技術和鈷基高溫合金實現(xiàn)有機結合，不僅能更便捷地制造出航空發(fā)動機中較為復雜的結構零部件，而且制造出的鈷基高溫合金零部件具有良好的耐熱、耐磨和耐腐蝕性能，這對于復雜高溫結構零部件的制造和鈷基高溫合金推廣使用具有重要的現(xiàn)實價值和戰(zhàn)略意義[6—8]。

近年來，涌現(xiàn)了許多新的鈷基合金增材制造技術，如鈷基激光增材制造技術、鈷基電子束激光增材制造技術等，文中對這兩種新興的鈷基合金增材制造技術的研究現(xiàn)狀進行了分析和綜述，對鈷基高溫合金的合金化原理進行了分析和總結，并對鈷基高溫合金增材制造技術未來發(fā)展前景進行了展望。

1 鈷基高溫合金的合金化原理

鈷基高溫合金是一種含鈷質(zhì)量分數(shù)為 40%～65%的奧氏體高溫合金，除了含鈷元素，還加入了其他元素進行強化，如鎳、鉻、鎢、鉬、銅和一定量的碳元素。單質(zhì)鈷存在兩種同素異構形態(tài)，分別是密排六方(HCP)的εco和面心立方(FCC)的γco結構，這兩種結構在417 ℃時會發(fā)生HCP-FCC的馬氏體擴散轉變。在合金中，鈷元素做基體元素，鎳元素的作用是改善鈷基合金的抗氧化和抗腐蝕性能，鉻元素的作用是在合金表面生成致密的氧化膜，以提高鈷基合金的抗氧化和抗熱腐蝕性能。鎢元素的作用是提高其高溫抗氧化性能，對合金進行固溶強化，但鎢元素的含量過多會造成大量的析出相，降低了鎢對合金的固溶強化作用。碳元素的作用主要是與其他元素形成碳化物對材料進行強化[9—10]。

在鈷基高溫合金增材制造中，使用較多的合金材料有鈷鉻鎢合金、鈷鉻合金、鈷鉻鉬合金、鈷鉻鉬銅合金、鈷鉻鉬銅和鈷鉻鉬碳氮合金。其合金元素配比不同，所得到的合金化組織和材料的性能也不一樣。由于合金中含有碳元素，一般鈷基合金增材制造后會形成M7C3和M23C6型初生碳化物，在高溫時效或者服役時沉淀析出二次M23C6碳化物和其他碳化物[11]。在鈷鉻鎢合金和鈷鉻合金的增材制造過程中，成形中存在Co與Cr元素反應形成CoCr金屬間化合物和未反應的Co元素，或者形成以Co元素為主的γ-Co相，金屬間化合物Cr23C6, M6C, M23C6[12]。鎢元素對于材料起主要的強化作用。在鈷鉻鉬合金的增材制造過程中，成形件顯微組織由面心立方(FCC)的富鈷固溶體和碳化物彌散富鈷固溶體組成，其中Cr和Mo溶于Co基相和M23C6中，碳化物均勻分布在鈷基相中[13]。在鈷鉻鉬銅合金的增材制造中，發(fā)現(xiàn)存在較大的棒狀沉淀物證實其為σ相，添加銅降低了再結晶程度，增大了晶粒的粒徑和分數(shù)，降低了鈷鉻鉬銅合金的力學性能。在鈷鉻鉬碳氮合金增材制造中，成形件的顯微組織中存在γ相、ε相和金屬間化合物M23C6，在800 ℃的時效處理下，成形件的顯微組織由ε相和γ相組成，可轉變?yōu)閱桅?HCP相[14]。

2 鈷基高溫合金的增材制造技術

2.1 激光增材制造鈷基高溫合金技術

激光選區(qū)熔化(Selective Laser Melting，SLM)技術是以快速原型制造技術為基本原理發(fā)展起來的先進激光增材制造技術[15]，是一種基于粉末床的添加劑制造方法，可以直接從CAD模型中制造復雜的三維零件，由于其材料利用率高、制造周期短、能夠直接制造復雜零件等優(yōu)點，已成為許多傳統(tǒng)制造技術的現(xiàn)實替代品[16—17]。目前，有許多國內(nèi)外研究學者對鈷基高溫合金的SLM技術進行了研究，并取得了一定的進展。Yanjin Lu[18—19]等利用 SLM 技術制備了CoCrWCu合金，并對合金進行了表面分析和拉伸試驗，以得到制備CoCrWCu合金的最佳工藝參數(shù)。研究結果如下：在53.14 J/mm3的能量輸入下，可以制備出具有相對密度為 99.74%的致密的 CoCrWCu合金；SEM觀察表明，CoCrWCu合金中有微孔和非常細小的柱狀結構的顯微組織，發(fā)現(xiàn)存在密度較大的棒狀沉淀物，從快速傅里葉變換模式的指數(shù)化證實其為σ相。隨后又研究以CoCrW和Cu混合粉末為原料，采用SLM技術制備了Cu的質(zhì)量分數(shù)為2%, 3%, 4%的CuCrWCu合金，研究了不同Cu含量對其組織、力學性能的影響。研究結果表明，Cu的質(zhì)量分數(shù)達3%，會導致富硅析出物沿晶界和晶粒偏析，Cu的加入降低了再結晶程度，增大了晶粒的粒徑和分數(shù)，降低了CuCo合金的力學性能。Mingkang Zhang[20]等利用SLM技術制備CrCrMo合金，制備的合金主要是γ相和ε相的混合物，γ相體積分數(shù)約為70%。ε相含量隨時效時間的增加而增加。研究結果表明在900 ℃下時效10 h，獲得了幾乎純的ε相，獲得顯微硬度最高的試樣。A. Davydova[21]研究了用2 μm鈷基層包圍5～35 μm碳化硼顆粒，利用SLM制作三維金屬陶瓷靶，對所制備物體的顯微組織、成分、孔隙率、抗壓強度和顯微硬度進行了研究。獲得了一種高孔隙率(37%)的均勻結構，在鈷基基體中含有 HV2900～HV3200硬度的硼碳化物顆粒。在 SLM 期間，B4C與鈷基基體存在相互作用，并形成了新的相。Changhui Song[22]研究了由SLM制造的CoCrMo合金在熱處理后的表面形貌、力學性能和顯微組織的變化。結果表明，制備樣品的顯微組織主要由面心立方(FCC)富鈷固溶體和碳化物彌散富鈷固溶體組成，其中Cr和Mo溶于Co基相和M23C6中，碳化物均勻分散。熱處理后的SLM零件主要是發(fā)生韌性斷裂。Xin Zhou[23]等通過電子背散射衍射對鈷鉻鉬合金的SLM下形成的獨特晶體結構進行觀察和分析，發(fā)現(xiàn)了個別晶粒的擇優(yōu)取向，取向的晶體結構為〈001〉。趙吉賓[24]等利用激光增材制造將K465鎳基合金和鈷基合金進行交替熔覆成形，并對成形界面宏觀和微觀組織進行觀察和分析，研究結果表明，引入鈷基高溫合金能減少零件裂紋數(shù)量，提高零件成形質(zhì)量。楊恬恬[18]等為得到致密度高的K640合金，對K640鈷基高溫合金粉末進行SLM工藝試驗，分析了各種工藝參數(shù)對致密度的影響，最后得到最佳工藝參數(shù)為激光功率190 W、掃描速度800 mm/s、掃描間距0.8 mm、掃描線長度0.8 mm，此時零件致密度為92%。

2.2 電子束增材制造鈷基合金技術

電子束增材制造技術(Electron Beam Melting,EBM)是增材制造技術的一種，是一種以PBF為基礎的增材制造工藝，在真空環(huán)境中，采用高能高速的電子束選擇性地熔化金屬粉末層或金屬絲，熔化成形，層層堆積直至形成整個實體金屬零件[25—26]。與SLM相比，EBM 由于電子束的高功率和更高的掃描速度而被廣泛用于制造各種零部件，包括航空航天和生物醫(yī)學等領域[27—28]。

目前，國內(nèi)外有較多電子束增材制造鈷基合金技術方面的研究。Xiaojuan Gong[29]等研究了EBM制備的鈷鉻鉬合金的腐蝕行為，結果表明所有樣品主要由柱狀γ-FCC相組成，晶體擇優(yōu)取向。90°試樣具有最大的晶粒尺寸、最低的晶界密度和最少的富鉻相析出物，表現(xiàn)出最高的耐蝕性，富鉻析出物的數(shù)量和晶界密度比晶體取向更接近于耐蝕性。ShiHai Sun[30—31]等利用EBM制備Co28Cr6Mo0.23C0.17N合金，其軸線方向偏離 0°, 45°, 55°, 90°。結果表明，樣品在 0°, 45°,55°, 90°時，γ相的擇優(yōu)晶體取向接近于[0,0,1]，[1,1,0]，[1,1,1]和[1,0,0]。M23C6析出物(M＝Cr, Mo或Si)沿生成方向排列，間隔約3 μm，在800 ℃時效處理24 h后，完全轉變?yōu)閱桅?六方密堆積(HCP)相。在 55°偏差下，在 700 ℃處的最大拉伸強度為 806 MPa，熱處理使微小結構均勻化。隨后采用 EBM制備了Co28Cr6Mo0.23C017N合金圓柱棒材，研究了制備棒材和熱處理棒材微觀組織的不均勻性，以及熱處理中棒材的蠕變行為，重點分析了微觀結構的不均勻性對材料性能的影響。研究結果表明，在精加工平面，在800 ℃的時效處理下，由ε相和γ相組成的EBM制備棒材可轉變?yōu)閱桅?HCP相，24 h時，老化棒材的ε-HCP晶粒尺寸沿生成高度呈異質(zhì)性。晶粒尺寸先增大，然后逐漸減小到EBM制備棒材中，γ-FCC相變?yōu)棣?HCP的位置。晶粒尺寸幾乎是均勻的，是單一的γ-FCC 相。FurqanA.Shah[32]等利用 EBM 制備 CoCr和Ti6Al4V互連開放孔架，制備后26周植入成年羊股骨。結果表明，可實現(xiàn)骨向內(nèi)生長到開放孔 CoCr構建體的可能性。Lawrence[33]等利用SLM和EBM制備合金材料，材料包括Cu、Ti-6Al-4V、合金625（Ni基高溫合金）、鈷基高溫合金和17-4PH不銹鋼。通過光學金相、掃描和透射電子顯微鏡和 X射線衍射對這些制備后的材料進行了表征。A. Bordin[34]等認為利用EBM所制備的CoCrMo合金具有高強度、良好的耐磨性和耐腐蝕性以及優(yōu)異的生物相容性，并對制備的合金進行了切削試驗，通過對刀具磨損、表面完整性和顯微組織的分析，發(fā)現(xiàn)EBM制備的CoCrMo合金由于更具磨料的微觀結構而更難加工。Clémence Petit[35]研究了利用 EBM制備立方孔結構的 CoCrMo電池樣品，并對其結構和力學性能進行分析，利用X射線斷層掃描表征樣品的結構，觀察到因制造過程而產(chǎn)生的缺陷，利用斷層掃描儀對試樣進行原位壓縮試驗，證明了材料變形發(fā)生在局部厚度減小的部位，并用有限元模擬證實了由于這些部位的應力集中導致了試樣斷裂。

3 鈷基合金增材制造技術的限制與發(fā)展展望

3.1 鈷基合金的增材制造技術研究限制

增材制造技術作為近30年發(fā)展起來的新興復雜零件的近成形技術，在航空航天、生物醫(yī)學等要求較高的領域具有廣闊的發(fā)展前景和不可代替的制造技術，但相對于已發(fā)展成熟的鑄鍛焊等熱加工技術，發(fā)展時間較短的鈷基合金增材制造技術目前依舊存在著許多問題和發(fā)展限制。

1)材料方面的限制。由于鈷元素在地球上儲量較少，使鈷基合金的價格較為昂貴，利用以 SLM、EBM為代表的增材制造技術材料的利用率較低，大批量制造鈷基合金必將造成材料的大量浪費。鈷基合金中加入了許多其他元素對其進行強化作用，其中還有很多低熔點共晶，在增材制造過程中結晶時易出現(xiàn)偏析，導致熱裂紋的產(chǎn)生；由于鈷基合金中有一定的碳含量，具有較大的淬硬傾向和形成一定量的碳化物，碳化物組織硬度較高，脆性較大，且擴散氫含量較少，隨著鈷基合金增材制造界面擴散氫含量的增加，零件冷裂紋的概率也增加，降低了材料的使用性能。

2)增材制造技術本身特點的限制。由于增材制造是直接成形復雜零件，導致制造過程是一個非穩(wěn)態(tài)的加熱和冷卻過程，零件受到不均勻的加熱和冷卻，零件應力集中，殘余應力較大，使零件熱裂紋傾向增大。在增材制造過程中，鈷基合金與基體材料可能不一樣，導致兩種材料的熱膨脹系數(shù)不一樣，也會導致零件殘余應力的增加，降低材料的使用質(zhì)量。

3)發(fā)展時間較短所帶來的限制。增材制造技術發(fā)展時間較短，是近三四十年才興起的零件制造技術，其設備和技術不夠完善，與傳統(tǒng)的制造技術相比還不夠成熟，制造成本較高，效率較低，制造精度不高，特別是采用鈷基高溫合金制造的零件大部分用于復雜的結構部位或者需要良好的高溫性能，對材料或零件精度要求較高，但是利用增材制造所得到的零件的力學性能與預期值相差較遠，這限制了鈷基高溫合金的發(fā)展，但是隨著增材制造技術的進步和其他檢測手段的發(fā)展，精度、力學性能等存在提升的空間。

4)增材制造技術標準化所帶來的限制。到目前為止，鈷基高溫合金的增材制造并未形成規(guī)范的標準和系統(tǒng)化，國內(nèi)其標準的發(fā)展還處于起步階段，與國際標準發(fā)展相比相差較遠。高溫合金增材制造的標準化內(nèi)容涵蓋高溫合金增材制造的專用粉末、增材制造成形裝備及過程、后處理工藝、產(chǎn)品標識和檢驗等一系列內(nèi)容。鈷基高溫合金技術的標準化對增材制造過程中工藝的控制和零件質(zhì)量檢驗具有重要的指導意義，對于鈷基高溫合金增材制造形成產(chǎn)業(yè)化、規(guī)范化、系統(tǒng)化具有巨大的現(xiàn)實意義。

3.2 展望

因增材制造技術原理相對于傳統(tǒng)制造工藝原理的突出優(yōu)勢，使得增材制造技術代替?zhèn)鹘y(tǒng)制造技術成為可能，可以預測增材制造技術將會給制造業(yè)帶來巨大變革。目前使用較多的鈷基高溫合金增材制造技術是SLM和EBM，隨著增材制造技術研究的不斷深入，技術和設備的不斷完善，更多形式的增材制造技術將會被使用。特別是一些能夠降低制造成本，提高制造效率的技術如電弧增材制造鈷基高溫合金技術，具有一定的發(fā)展前景和潛在價值，是未來研究鈷基高溫合金增材制造技術的方向之一。