彭 徽，陶 申，陳 博，郭洪波

(1. 北京航空航天大學(xué) 前沿科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新研究院，北京 100191)(2. 北京航空航天大學(xué) 高溫結(jié)構(gòu)材料與涂層技術(shù)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191)(3. 萊斯特大學(xué)工學(xué)院，英國(guó) 萊斯特 LE1 7RH)(4. 北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191)

1 前 言

高溫合金是指能夠在600 ℃以上高溫條件下承受較大應(yīng)力且保持組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的高合金化金屬材料[1]。根據(jù)主要元素的種類，高溫合金可以劃分為鐵基高溫合金、鎳基高溫合金和鈷基高溫合金等。由于具有良好的高溫力學(xué)性能以及抗氧化、耐腐蝕等性能，高溫合金被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的熱端部件，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料，也是核能、交通運(yùn)輸、石油化工、冶金礦山等領(lǐng)域不可或缺的重要材料[2]。

增材制造(additive manufacturing，AM)技術(shù)為高溫合金復(fù)雜部件的研制和生產(chǎn)開(kāi)辟了新的道路。傳統(tǒng)高溫合金制造工序復(fù)雜、工藝周期長(zhǎng)。與之相比，AM技術(shù)成形過(guò)程不需要模具和原胚，可直接根據(jù)設(shè)計(jì)的模型數(shù)據(jù)，通過(guò)逐層累加的方式生成指定形狀的塊體，從而簡(jiǎn)化制造程序、縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、降低開(kāi)發(fā)和制造成本[3, 4]。此外，AM高溫合金具有組織細(xì)化、元素偏析小的特點(diǎn)，較傳統(tǒng)加工方式獲得的高溫合金表現(xiàn)出更為優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，具有巨大的應(yīng)用潛力。目前，諸多國(guó)內(nèi)外企業(yè)已采用AM技術(shù)成功研制了多種復(fù)雜高溫合金部件，如：美國(guó)GE公司于2018年采用激光選區(qū)熔化(selective laser melting，SLM)技術(shù)成功生產(chǎn)30 000件應(yīng)用于LEAP型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴嘴并實(shí)現(xiàn)批量裝機(jī)[5]；2017年，德國(guó)西門(mén)子公司與德國(guó)弗勞恩霍夫(Fraunhofer)激光技術(shù)研究所合作，采用模塊化的葉片設(shè)計(jì)思路，將葉片的2個(gè)部分分別進(jìn)行增材制造，完成之后再進(jìn)行焊接，生產(chǎn)出的葉片被安裝在13 MW的西門(mén)子SGT-400工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪上，并成功試車(chē)[6]；此外，2019年，西門(mén)子公司在瑞典芬斯蓬(Finsp?ng)工廠利用AM技術(shù)直接制造了燃燒室中的復(fù)雜燃燒器零部件，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃燒器的快速修復(fù)[7]；國(guó)內(nèi)的北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)及多家相關(guān)企業(yè)同樣采用增材制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大尺寸高溫合金構(gòu)件研制技術(shù)的突破，并率先在航天領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用[8, 9]。

然而，高Al，Ti含量的高溫合金在AM過(guò)程中極易出現(xiàn)裂紋，對(duì)相關(guān)類型高溫合金的AM制備提出了巨大的挑戰(zhàn)。AM技術(shù)的本質(zhì)是高能束流焊接，由高能束加工導(dǎo)致的凝固裂紋和液化裂紋是高溫合金領(lǐng)域廣泛研究的問(wèn)題。與其他AM技術(shù)相比，電子束選區(qū)熔化(selective electron beam melting，SEBM)技術(shù)通過(guò)快速掃描實(shí)現(xiàn)粉床預(yù)熱，能夠顯著降低成形件內(nèi)部的殘余應(yīng)力水平，從而降低高溫合金的熱裂傾向。諸多文獻(xiàn)表明，SEBM高溫合金具有良好的高溫力學(xué)性能[10, 11]，近年來(lái)已經(jīng)成為AM領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

基于此，本文對(duì)近年來(lái)SEBM制備高溫合金領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，并總結(jié)了作者課題組新近的研究成果。主要包括SEBM高溫合金的成形參數(shù)、微觀組織、力學(xué)性能、開(kāi)裂機(jī)制、裂紋抑制方法及發(fā)展趨勢(shì)等。

2 SEBM高溫合金材料

圖1給出了國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)牌號(hào)鎳基高溫合金的可焊性圖譜[12-18]，涵蓋了目前常見(jiàn)的鑄造及變形鎳基高溫合金。根據(jù)Al，Ti含量的不同，高溫合金可以分為可焊合金和不可焊合金。以圖中虛線為界，虛線左下方區(qū)域?yàn)榭珊负辖?；虛線右上方區(qū)域?yàn)椴豢珊负辖?；分界線附近的合金通常被定義為較難焊接合金。其中，不可焊高溫合金中的高Al，Ti元素含量，導(dǎo)致其具有較高的裂紋敏感性，所以在焊接、AM等反復(fù)熔凝加工過(guò)程中極易產(chǎn)生裂紋。

圖1 鎳基高溫合金焊接性能圖譜[12-18]Fig.1 Welding performance diagram of Ni-based superalloy[12-18]

經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，SEBM研究涉及的高溫合金材料已經(jīng)涵蓋了從可焊接合金(如Inconel 625[19]、Inconel 718[20]、Haynes 282[11]等)到不可焊接合金(如Ni-Co-Cr-Mo-Al-Ti-B[21]、Inconel 738[22]、René 142[23]、CMSX-4[24]、IC21[25]等)的諸多品種；合金種類包括鈷基(如SB-CoNi-10[26])、鎳基和鐵基高溫合金等；合金微觀組織調(diào)控實(shí)現(xiàn)了從等軸晶向柱狀晶的轉(zhuǎn)變[27-30]；在此基礎(chǔ)上，SEBM制備單晶高溫合金的選晶理論也被提出并成功驗(yàn)證[31, 32]。

3 SEBM高溫合金成形參數(shù)及微觀組織

3.1 SEBM成形策略

SEBM技術(shù)采用的“點(diǎn)-線-面”三維累積成形策略，導(dǎo)致成形合金具有復(fù)雜的熱歷史，合金的微觀組織也受到多個(gè)加工參數(shù)的影響。SEBM的主要工藝參數(shù)包括：電子束束流(I)、電子束功率(P)、電子束掃描速度(v)、相鄰掃描線間返回時(shí)間(treturn)、掃描線間距(Loff)、掃描線順序(line order)、掃描層間距(hatch step)、粉末層厚度(h)等。SEBM通常采用典型的蛇形掃描(cross snake，CS)加工，并可以用面能量密度EA與線能量密度EL來(lái)對(duì)比評(píng)價(jià)不同工藝條件下的成形參數(shù)。EA表示單位面積粉床內(nèi)所輸入的能量，計(jì)算公式如下：

(1)

EL為SEBM選區(qū)熔化過(guò)程中電子束的線能量密度，計(jì)算公式如下：

(2)

通過(guò)調(diào)整EA或EL可以實(shí)現(xiàn)對(duì)SEBM過(guò)程能量輸入的控制，獲得致密組織的成形窗口，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微觀組織調(diào)控[25, 33]。作者課題組前期利用EA對(duì)比研究了不同制備高溫合金粉末方法，包括氬氣霧化法(argon gas atomization，GA)和等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法(plasma rotating electrode-comminuting process，PREP)制備得到的粉末對(duì)SEBM加工GH4099合金參數(shù)“窗口值”的影響，并根據(jù)成形樣塊的表面成形質(zhì)量繪制出了成形窗口，如圖2所示。結(jié)果表明，在相同EA條件下，掃描速度過(guò)高或過(guò)低會(huì)導(dǎo)致合金出現(xiàn)孔洞、熔合不良或表面膨脹鼓包等缺陷；相比于GA粉末的SEBM成形窗口，由于PREP粉末需要更高的粉末床預(yù)熱溫度(GA：980 ℃，PREP：1100 ℃)，導(dǎo)致其成形窗口向著更高電子束掃描速度與更小EA方向偏移；在一定EA條件下，適當(dāng)?shù)膾呙杷俣瓤梢垣@得組織致密的成形樣塊。

圖2 GH4099合金SEBM成形窗口：(a)氬氣霧化粉末；(b)等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化粉末Fig.2 SEBM processing window for GH4099 superalloy: (a) argon gas atomization powder; (b) plasma rotating electrode-comminuting process powder

E*=q*/(v*l*)

=[Aq/(2vlrB)][1/0.67ρCp(Tm-T0)]

(3)

其中，q*，v*和l*分別代表無(wú)量綱的能量束能量、掃描速度和鋪層厚度；A是材料表面能量吸收率；q，v和rB分別為能量束能量、掃描速度和能量束半徑；l為鋪粉厚度；ρ和Cp表示加工材料的密度和熱容；Tm-T0代表熔點(diǎn)與室溫的溫度差。

此外，利用SEBM電子束的高速掃描能力，Karimi等[35]和Zhao等[36]提出了點(diǎn)掃熔化策略(spot melting)。通過(guò)與線掃熔化策略(linear melting)獲得的合金組織進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)由于材料局部的快速凝固，采用點(diǎn)掃策略制備出的試樣的晶粒結(jié)構(gòu)主要是細(xì)柱狀和等軸晶的混合物。這主要是由于點(diǎn)掃策略條件下，熔池內(nèi)部較高的溫度梯度和冷卻速率為細(xì)柱狀晶形成提供了驅(qū)動(dòng)力[37]。采用點(diǎn)掃策略將更有助于在復(fù)雜結(jié)構(gòu)件中調(diào)控出均勻組織。

3.2 SEBM高溫合金的微觀組織

3.2.1 晶粒形態(tài)調(diào)控

同其他高能束增材制造技術(shù)相似，SEBM能夠?qū)崿F(xiàn)高溫合金的微觀組織調(diào)控。遵循傳統(tǒng)凝固理論，熔池內(nèi)溫度梯度和凝固速率的比值決定了枝晶的生長(zhǎng)形態(tài)，據(jù)此可用SEBM技術(shù)實(shí)現(xiàn)柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變(columnar to equiaxed transition，CET)[29]。但與傳統(tǒng)鑄造方式不同，SEBM的逐點(diǎn)掃描可實(shí)現(xiàn)更加靈活的調(diào)控策略。如K?rner等[38]采用蛇形掃描策略，對(duì)比研究了逐層旋轉(zhuǎn)90°掃描方向與每10層旋轉(zhuǎn)90°掃描方向獲得的鎳基合金Inconel 718組織差異，發(fā)現(xiàn)逐層改變掃描方向的加工方式更容易獲得等軸晶組織；反之將有利于柱狀晶組織生長(zhǎng)。利用這一特點(diǎn)，可獲得具有zig-zag結(jié)構(gòu)的柱狀晶結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 通過(guò)調(diào)控SEBM掃描策略獲得的具有zig-zag結(jié)構(gòu)的柱狀晶的SEM照片[38]Fig.3 SEM image of the columnar crystal with zig-zag structure tailored by SEBM[38]

作者課題組前期也研究了不同成形參數(shù)對(duì)IC21合金組織形態(tài)及裂紋產(chǎn)生情況的影響，如圖4所示[25]。發(fā)現(xiàn)掃描速度從3800降低至200 mm/s時(shí)，隨著EL的增加，晶粒尺寸呈現(xiàn)先增加再減小的趨勢(shì)。通過(guò)比較試樣的晶粒形貌和裂紋形貌，發(fā)現(xiàn)在v值為1300～3800 mm/s的高掃描速度區(qū)間時(shí)，隨著掃描速度的降低，熱輸入增加，試樣中柱狀晶變大，晶界處裂紋變長(zhǎng)變寬。說(shuō)明SEBM制備IC21鎳基高溫合金中產(chǎn)生的裂紋形貌與試樣中的晶粒形貌有關(guān)，當(dāng)晶粒粗大時(shí)產(chǎn)生的裂紋長(zhǎng)且寬，當(dāng)晶粒細(xì)小時(shí)，產(chǎn)生的裂紋短小。然而在v值為200～1300 mm/s的低掃描速度區(qū)間時(shí)，隨著能量輸入的增加，存在較高的溫度及溫度梯度，熔體更加劇烈的運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致枝晶破碎，產(chǎn)生新晶粒形核，使組織得到細(xì)化[25]。

圖4 SEBM掃描參數(shù)對(duì)IC21合金組織及裂紋情況的影響[25]：(a)不同EL下合金的SEM顯微組織照片,(b)EL對(duì)裂紋數(shù)量及柱狀晶寬度的影響曲線Fig.4 Effect of SEBM scanning parameters on microstructure and crack in IC21 alloy[25]: (a) optical micrographs of IC21 alloy fabricated with different scanning speed v to achieve a range of line energy EL, (b) the relationship between columnar grain width and crack ratio

3.2.2 強(qiáng)化相特征

SEBM成形時(shí)的高溫可以促進(jìn)強(qiáng)化相析出。對(duì)于如Inconel 718、Inconel 625等可焊高溫合金，組織中會(huì)有γ相析出[39]；對(duì)于如CMSX-4、René N5等不可焊高溫合金，還會(huì)有γ′相析出。近來(lái)，Murray等[26]制備出高強(qiáng)度、抗缺陷、可打印的三元Co-Al-W高溫合金SB-CoNi-10，并對(duì)比了SEBM和SLM所制備合金的微觀結(jié)構(gòu)特征，如圖5所示。SEBM使用高的預(yù)熱溫度(1000 ℃)降低了凝固過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，但同時(shí)也促進(jìn)了γ′相的粗化與筏排化；相較之下，SLM使用較低的預(yù)熱溫度(200 ℃)，不會(huì)像SEBM制備過(guò)程那樣促進(jìn)γ′的粗化與筏排化，但晶粒內(nèi)的取向梯度差異明顯高于SEBM。

圖5 使用SEBM(a)和SLM(b)方法制備的SB-CoNi-10合金的微觀組織差異對(duì)比[26]Fig.5 Microstructure comparison of SB-CoNi-10 alloy prepared by SEBM (a) and SLM (b)[26]

此外，SEBM制備態(tài)合金具有典型的梯度結(jié)構(gòu)特征。由于長(zhǎng)時(shí)間高溫保溫，試樣頂部與底部析出相的形貌及尺寸具有較為明顯的差異。作者課題組前期對(duì)SEBM制備的DD5合金在不同成形高度(Z)處的γ′相進(jìn)行觀察后發(fā)現(xiàn)，在1050 ℃高溫預(yù)熱條件中，合金受到熱影響導(dǎo)致底部(Z=5 mm)的γ′相發(fā)生長(zhǎng)大、連通(即筏排化)，這種粗化程度隨著試樣高度的增加、受熱影響時(shí)間的縮短而減輕。隨著成形高度的增加，合金中上部(Z=25 mm處)的γ′相受熱影響時(shí)間縮短，γ′相筏排化的程度明顯降低，γ′相能保持較好立方形貌。相比之下，近表面(Z=30 mm)處，即合金組織未受到復(fù)雜熱歷史的影響的區(qū)域，γ′相呈現(xiàn)細(xì)小的立方形貌，如圖6所示。Chauvet等[21]通過(guò)SEBM制備了成分為Ni-Co-Cr-Mo-Al-Ti-B(wTi+wAl=8.6%)的不可焊鎳基高溫合金，同樣在不同成形高度觀察到γ′相形態(tài)的梯度變化趨勢(shì)，如圖7所示。

圖6 SEBM制備DD5合金的γ′相形貌：(a)成形高度Z=5 mm,(b)成形高度Z=25 mm,(c)成形高度Z=30 mmFig.6 SEM images of SEBM DD5 superalloy showing the γ′ precipitates: (a) build height Z=16 mm, (b) build height Z=19 mm, (c) build height Z=30 mm

圖7 制備態(tài)Ni-Co-Cr-Mo-Al-Ti-B(wTi+wAl=8.6%)試樣在XZ橫截面的中心部分的典型微觀結(jié)構(gòu)[21]：(a)光學(xué)顯微鏡下的宏觀組織,(b)沿制備方向不同位置的γ′析出相尺寸的BSE-SEM照片F(xiàn)ig.7 Typical microstructure of an as-built Ni-Co-Cr-Mo-Al-Ti-B(wTi+wAl=8.6%) specimen observed in the central part on a XZ cross section[21]: (a) optical micrograph showing the macrostructure, (b) BSE-SEM micrographs illustrating the size of the γ′ precipitates at different positions along the build direction

SEBM高溫合金強(qiáng)化相熱處理調(diào)控與傳統(tǒng)鑄態(tài)合金也存在較大差異。文獻(xiàn)[40]指出，由于SEBM技術(shù)制備的高溫合金具有非常細(xì)小的微觀組織，枝晶間距比鑄造態(tài)的小近兩個(gè)數(shù)量級(jí)[41]，因此所需要的均勻化處理時(shí)間大大縮減[42]。對(duì)于SEBM制備的CMSX-4合金，只需在1315 ℃下進(jìn)行35 min的固溶處理就可以基本實(shí)現(xiàn)合金均勻化。作者課題組[33]前期對(duì)SEBM制備的DZ125合金經(jīng)過(guò)熱等靜壓(hot isostatic pressing，HIP)后再進(jìn)行熱處理后的γ′相形貌進(jìn)行了觀察與分析。經(jīng)過(guò)HIP處理后，合金中γ′相的形貌有了明顯變化：尺寸明顯細(xì)化且分布更為均勻。與SEBM制備態(tài)合金中的γ′相相比，經(jīng)過(guò)熱處理后的γ′相立方度更好、尺寸細(xì)化明顯，且難以分辨枝晶內(nèi)和枝晶間的γ′相，說(shuō)明HIP處理會(huì)對(duì)SEBM制備態(tài)合金起到細(xì)化晶粒和均勻組織的作用，且γ′相尺寸和體積分?jǐn)?shù)與鑄造合金相當(dāng)[33]。

3.2.3 TCP析出相

SEBM的高預(yù)熱溫度及其保溫條件會(huì)促進(jìn)合金中TCP(topologically close-packed)相的析出。鎳基高溫合金中大量的難熔元素可以提高合金的高溫力學(xué)性能，但高溫下難熔元素的過(guò)飽和也容易導(dǎo)致TCP相(如σ、μ、P和R相)的析出[43, 44]，極大地?fù)p害合金的力學(xué)性能[45, 46]。

在SEBM制備的CMSX-4[47]、DZ125[33]、IC21[25]等高溫合金中，在其枝晶間均發(fā)現(xiàn)了TCP相。同強(qiáng)化相相似，TCP相也具有梯度分布的特征。作者課題組前期在對(duì)SEBM制備的IC21合金(難熔元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)wMo+wRe+wTa>14%)的微觀組織進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)(圖8)，富Re和Mo的白色析出相(圖8f)和富Cr和Ta的黑色析出相(圖8d和8e)均為T(mén)CP相[25]，這與Karunaratne等[44]和Acharya等[46]的研究結(jié)果一致。隨成形高度Z由1 mm增加至29 mm，TCP相的析出量減少。

圖8 SEBM制備IC21合金不同成形高度處的BSE照片[25]：(a)1 mm，(b)15 mm，(c)29 mm；(d～g)高倍照片F(xiàn)ig.8 Back-scattered electron BSE-SEM images of IC21 superalloy showing the secondary solidification constituents at Z=1 mm(a), 15 mm (b) and 29 mm (c); representative SEM images in high resolution (d～g)[25]

4 SEBM高溫合金力學(xué)性能

SEBM技術(shù)制備的高溫合金顯微組織與SLM技術(shù)相比存在顯著差異。由于長(zhǎng)時(shí)間保溫促進(jìn)了合金內(nèi)部的元素?cái)U(kuò)散及位錯(cuò)的消除，SEBM合金較SLM合金室溫拉伸性能有所降低[26]，但通常表現(xiàn)出更優(yōu)異的抗蠕變性能[10]。下面主要對(duì)可焊合金和不可焊合金的力學(xué)性能進(jìn)行介紹。

4.1 可焊高溫合金力學(xué)性能

SEBM技術(shù)制備可焊合金的拉伸性能水平同鑄造態(tài)/鍛造態(tài)相當(dāng)，但在生長(zhǎng)方向上存在梯度差異[48]。Unocic等[11]對(duì)SEBM Haynes 282鎳基高溫合金以10-3s-1的應(yīng)變率在20～900 ℃之間進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如圖9所示，對(duì)比了制備態(tài)SEBM和鍛造態(tài)合金在平行和垂直于生長(zhǎng)方向上的拉伸性能。結(jié)果表明：SEBM Haynes 282的屈服強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度在兩個(gè)方向上相當(dāng)，略低于鍛造退火態(tài)；在600 ℃以下，與鍛造態(tài)相比，SEBM態(tài)在兩個(gè)方向上都表現(xiàn)出了優(yōu)越的延展性；然而，在測(cè)試溫度800和900 ℃下，SEBM態(tài)合金沿生長(zhǎng)方向觀察到的斷裂變形比在水平方向上要高得多。SEBM態(tài)合金表現(xiàn)出的較低拉伸強(qiáng)度可能與未進(jìn)行熱處理的γ/γ′微結(jié)構(gòu)有關(guān)。Pike[49]對(duì)Haynes 282合金的γ′相含量進(jìn)行了熱處理優(yōu)化，以求達(dá)到強(qiáng)度與加工性能的最佳平衡，并通過(guò)對(duì)比R-41、Waspaloy、Haynes 263等合金的拉伸性能、低周疲勞性能和熱穩(wěn)定性，得出了Haynes 282合金具有更優(yōu)力學(xué)性能的結(jié)論。Dehoff等[48]對(duì)SEBM Inconel 718的拉伸性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在20 ℃(室溫拉伸)和650 ℃(高溫拉伸)條件下，合金的屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均表現(xiàn)出隨制備高度增加而增加的總體趨勢(shì)。同時(shí)，Dehoff等[50]還在SEBM制備過(guò)程中引入長(zhǎng)時(shí)間原位保溫，發(fā)現(xiàn)試樣的拉伸性能有明顯的提升。

圖9 SEBM Haynes 282合金在20～900 ℃條件下平行和垂直于制備方向的拉伸性能[11]：(a)屈服和極限拉伸強(qiáng)度，(b)塑性變形Fig.9 Tensile properties of SEBM Haynes 282 alloy along and perpendicular to the build direction at 20～900 ℃[11]: (a) yield and ultimate tensile strength， (b) plastic deformation

SEBM技術(shù)制備的可焊高溫合金在不同成形高度上的力學(xué)性能差異在顯微硬度測(cè)量上也有明顯體現(xiàn)。Goel等[51]通過(guò)探究SEBM Inconel 718合金在不同成形高度上硬度值的差異，發(fā)現(xiàn)隨著試樣成形高度的增加，硬度值有逐漸增大的趨勢(shì)。由于γ″相是Inconel 718的主要強(qiáng)化相，制備態(tài)試樣的顯微硬度隨著生長(zhǎng)高度的顯著變化可歸因于γ″相的析出含量差異[52]。據(jù)文獻(xiàn)[53]報(bào)道，δ-Ni3Nb相對(duì)Inconel 718的強(qiáng)度沒(méi)有顯著影響，但δ相的存在會(huì)消耗Nb元素。Nb是強(qiáng)化相形成元素，Nb含量的降低將會(huì)導(dǎo)致材料中γ″-Ni3Nb相含量降低，從而導(dǎo)致合金硬度值減小。通過(guò)觀察分析發(fā)現(xiàn)，δ相的含量隨著試樣生長(zhǎng)高度的增加而逐漸減小，從而使硬度值在高度方向上形成梯度。這種差異通過(guò)HIP結(jié)合后續(xù)熱處理可以有效消除[54]。

4.2 不可焊高溫合金力學(xué)性能

同鑄造態(tài)合金相比，SEBM不可焊高溫合金的力學(xué)性能具有更加明顯的各向異性。這是由于隨著Al，Ti元素含量增加，合金熱裂傾向增強(qiáng)，制備態(tài)組織中裂紋密度增加，成為合金的薄弱區(qū)域。作者課題組對(duì)SEBM DD5合金在生長(zhǎng)方向及水平方向進(jìn)行了拉伸對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如圖10所示。從圖10可以看出，合金生長(zhǎng)方向的拉伸性能明顯優(yōu)于水平方向，極限抗拉強(qiáng)度約為水平方向的3倍，應(yīng)變值高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。同鑄造態(tài)DD5合金相對(duì)比，試驗(yàn)溫度在800 ℃以下時(shí)，SEBM DD5合金生長(zhǎng)方向的拉伸性能優(yōu)于鑄造態(tài)。隨著測(cè)試溫度上升，SEBM DD5合金的拉伸強(qiáng)度降低。

圖10 SEBM DD5合金在不同測(cè)試溫度下拉伸試驗(yàn)的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線：(a)生長(zhǎng)方向,(b)水平方向Fig.10 True stress-true strain curves of SEBM DD5 superalloy at different temperatures: (a) build direction, (b) horizontal direction

近期的研究結(jié)果表明，SEBM不可焊高溫合金表現(xiàn)出與鑄造態(tài)合金相當(dāng)?shù)娜渥冃阅?。K?rner等[31]對(duì)SEBM CMSX-4合金開(kāi)展了微小試樣的蠕變性能試驗(yàn)，對(duì)比了SEBM和鑄造試樣在高溫低應(yīng)力和低溫高應(yīng)力條件下的蠕變性能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在低溫高應(yīng)力(850 ℃/600 MPa)測(cè)試條件下，SEBM制備態(tài)試樣和經(jīng)固溶+時(shí)效熱處理的SEBM制備態(tài)試樣的蠕變性能存在較大差異。SEBM制備態(tài)試樣的斷裂應(yīng)變(接近20%)大于鑄造態(tài)試樣(接近15%)。在高溫低應(yīng)力(1050 ℃/160 MPa)測(cè)試條件下，SEBM合金表現(xiàn)出與鑄造態(tài)相似的斷裂行為(應(yīng)變值接近20%)。

SEBM不可焊合金的蠕變性能同樣存在生長(zhǎng)方向的梯度差異。對(duì)此Bürger等[55]對(duì)SEBM CMSX-4單晶合金的蠕變性能開(kāi)展了大量研究。圖11對(duì)比了中部和頂部取樣(試樣總高度約為60 mm)在高溫低應(yīng)力和低溫高應(yīng)力條件下的蠕變性能差異。在高溫低應(yīng)力(1050 ℃/160 MPa)條件下，中部試樣比頂部試樣具有更高的蠕變速率，蠕變斷裂時(shí)間為130 h(頂部試樣為160 h)。固溶時(shí)效處理可以顯著提升合金的抗蠕變性能，且能夠減小不同取樣部位合金蠕變性能的差異。相比于頂部試樣，中部試樣雖然仍具有較高的蠕變速率，但蠕變壽命相當(dāng)。在低溫高應(yīng)力(850 ℃/600 MPa)條件下，熱處理對(duì)蠕變壽命的影響更加明顯。未熱處理的SEBM試樣在約100 h時(shí)發(fā)生斷裂，而熱處理后的SEBM試樣約250 h才會(huì)達(dá)到失效狀態(tài)。

圖11 從不同位置獲取的SEBM制備態(tài)及熱處理態(tài)的蠕變?cè)嚇拥娜渥冃袨榍€[55]：(a)高溫低應(yīng)力(1050 ℃/160 MPa)蠕變狀態(tài)的蠕變數(shù)據(jù),(b)低溫高應(yīng)力(850 ℃/600 MPa)蠕變狀態(tài)的蠕變數(shù)據(jù),(c)SEBM試樣的剖面圖和微型蠕變?cè)嚇尤游恢檬疽鈭DFig.11 Creep behavior of as-built and heat treated SEBM specimens which were taken from different bar positions[55]: (a) creep data from the high temperature low stress creep regime (1050 ℃/160 MPa), (b) creep data from the low temperature and high stress creep regime (850 ℃/600 MPa), (c) schematic cut up plans of SEBM bars and position of miniature creep specimens in different view directions

此外，作者課題組研究了不同掃描速度及成形高度下試樣不同部位的顯微硬度差異，如圖12所示。可以看出，掃描速度增加，試樣的顯微硬度也隨之增加。這是由于增加掃描速度，柱狀晶的晶粒尺寸逐漸減小，能夠起到晶粒細(xì)化的作用。此外，試樣的顯微硬度不僅與試樣的晶粒尺寸相關(guān)，還與試樣中存在的缺陷(裂紋、孔洞等)相關(guān)。顯微硬度測(cè)試產(chǎn)生的壓痕的大小反映了試樣受測(cè)試位置抵抗外力變形的能力。當(dāng)測(cè)試硬度的壓頭打在柱狀晶內(nèi)部或枝晶核處時(shí)，硬度測(cè)量值普遍增加；當(dāng)測(cè)試硬度的壓頭打在柱狀晶晶界或枝晶間區(qū)域時(shí)，硬度測(cè)量值普遍降低。又因?yàn)榱鸭y、孔洞等缺陷常常發(fā)生在柱狀晶晶界，所以此處的顯微硬度下降更為明顯。從單個(gè)試樣來(lái)看，隨著成形高度的增加，試樣的顯微硬度也呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，即HVTop>HVMiddle>HVBottom，這是由于沿制備方向γ′的尺寸減小、筏排化程度減小所導(dǎo)致的。

圖12 掃描速度及成形高度對(duì)合金顯微硬度的影響Fig.12 Effect of the scanning speed and build height on microhardness

5 SEBM高溫合金開(kāi)裂行為

高溫合金在AM過(guò)程中具有熱裂傾向。Al，Ti元素是鎳基高溫合金的主要沉淀強(qiáng)化元素，隨著Al，Ti元素含量的增加，γ′-Ni3(Al, Ti)相體積百分?jǐn)?shù)增加，合金高溫強(qiáng)度增加，但是熱裂紋敏感性也隨之增加。熱裂紋是AM高溫合金應(yīng)用的主要障礙，因此，了解裂紋的開(kāi)裂機(jī)制和尋找裂紋的抑制方法至關(guān)重要[56-58]。

5.1 開(kāi)裂機(jī)制

高Al，Ti含量的高溫合金在SEBM制備過(guò)程容易產(chǎn)生裂紋，裂紋主要類型分為凝固裂紋、液化裂紋、時(shí)效應(yīng)變裂紋和失塑裂紋。目前研究人員普遍認(rèn)為，SEBM制備的不可焊高溫合金的主要開(kāi)裂機(jī)制為液化裂紋，而液化裂紋主要與元素在晶界處的偏析有關(guān)，對(duì)此研究者已通過(guò)多種手段證實(shí)。Chauvet等[21]對(duì)裂紋尖端主要合金元素進(jìn)行了EDX衍射，發(fā)現(xiàn)在晶界處存在大量Cr和Mo元素的局部偏析。由EDX觀察到的Cr和Mo富集的第二相粒子經(jīng)原子探針層析成像(atom probe tomography，APT)確定主要為晶間硼化物。Zhou等[59]通過(guò)對(duì)激光沉積CSU-B1合金(一種通過(guò)成分優(yōu)化設(shè)計(jì)的不含Re元素的鎳基單晶高溫合金)的開(kāi)裂行為進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)組織中的析出相為富含Ta和Hf的碳化物，且在裂紋附近有Si，C及O元素偏析。Kontis等[29]在近原子尺度上研究了晶界析出相，發(fā)現(xiàn)在連續(xù)凝固重熔的晶界處有Cr，Mo，B等元素富集，并且提出高角度晶界處Cr，Mo，B等元素的含量水平可作為判斷合金是否可焊的標(biāo)準(zhǔn)之一。此外，作者課題組[25]也采用X射線光電子能譜(XPS)方法對(duì)SEBM IC21合金的裂紋進(jìn)行表征評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)在裂紋斷面處Si元素會(huì)發(fā)生偏析，如圖13所示。因此可以證實(shí)，合金中的B，Si等形成共晶熔點(diǎn)低的元素在晶界處的偏析是產(chǎn)生裂紋的主要原因。

圖13 SEBM IC21合金斷口的XPS測(cè)試結(jié)果[25]：(a)XPS測(cè)試全譜圖，(b)Si元素窄譜圖，(c)Cr元素窄譜圖Fig.13 XPS spectra collected from IC21 superalloy[25]: wide-range survey spectra of the selected liquid-film analysis area (a); narrow-range spectra of Si (b) and Cr (c)

導(dǎo)致高溫合金在SEBM制備過(guò)程中開(kāi)裂的另一個(gè)因素是內(nèi)部應(yīng)力。對(duì)于熱影響區(qū)內(nèi)的液化裂紋來(lái)說(shuō)，僅液膜的存在不足以引發(fā)合金開(kāi)裂。SEBM過(guò)程中局部熔池的快速熔化/凝固、合金基體的加熱/冷卻形成的凝固收縮及溫度梯度會(huì)在合金中引入形變應(yīng)力；此外，如5.2.1節(jié)中圖14所述，成形及后續(xù)熱處理過(guò)程中固態(tài)相變引入的微區(qū)應(yīng)力也是導(dǎo)致合金開(kāi)裂的重要原因。

5.2 裂紋抑制方法

5.2.1 后處理消除裂紋

HIP是消除AM合金內(nèi)部裂紋、孔洞等缺陷的主要手段。Ruttert等[60]通過(guò)HIP使SEBM CMSX-4合金的致密度達(dá)到了99.9%，極大地提高了合金的蠕變強(qiáng)度和疲勞性能；Kirka等[61]研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)HIP可消除SEBM Inconel 718合金中的微小孔洞；Carter等[62]通過(guò)顯微計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)(Micro CT)對(duì)SLM成形的CM247LC合金進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)HIP處理后，試樣內(nèi)部裂紋大量減少，表明通過(guò)HIP基本可以消除合金中的微小裂紋；Wang等[63]通過(guò)HIP結(jié)合后續(xù)熱處理消除了SLM制備IN738LC合金的內(nèi)部缺陷，獲得了具有良好力學(xué)性能的試樣。

值得注意的是，HIP雖然可以治愈合金內(nèi)部的微觀缺陷，但并不能完全消除裂紋和孔洞[64]。Ruttert等[60]的研究表明，SEBM鎳基高溫合金在經(jīng)過(guò)HIP及熱處理后液化裂紋數(shù)量可能會(huì)增加。此外，作者課題組[33]前期的工作也表明，SEBM制備的DZ125合金經(jīng)HIP后雖然可消除晶間裂紋，但固溶和時(shí)效熱處理引發(fā)的γ′相析出會(huì)使合金重新發(fā)生開(kāi)裂，機(jī)理如圖14所示。這些結(jié)果均表明直接制備出致密無(wú)裂紋的合金組織至關(guān)重要。

圖14 SEBM制備的DZ125合金經(jīng)HIP及后續(xù)熱處理時(shí)的裂紋演變機(jī)理示意圖[33]Fig.14 Schematic diagram showing the crack reappearance process due to the solution treating[33]

5.2.2 掃描策略優(yōu)化

(1)通過(guò)優(yōu)化掃描策略可以降低裂紋率甚至抑制裂紋產(chǎn)生。Ramsperger等[24]通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)研究了SEBM制備CMSX-4合金的開(kāi)裂行為。結(jié)果表明，在高掃描速度、低電子束功率(低EA能量輸入)參數(shù)下獲得了無(wú)裂紋但有高結(jié)合缺陷(binding faults)的樣品，對(duì)應(yīng)圖15a。而圖15b表明提高預(yù)熱溫度有助于降低合金裂紋密度；當(dāng)在適當(dāng)?shù)念A(yù)熱溫度條件下，低掃描速度、高功率輸入?yún)?shù)下可獲得無(wú)裂紋、無(wú)結(jié)合缺陷的試樣，對(duì)應(yīng)圖15b中的區(qū)域3。

圖15 SEBM成形參數(shù)對(duì)成形件缺陷及裂紋數(shù)量的影響[24]：(a)成形參數(shù)對(duì)結(jié)合缺陷的影響，(b)成形參數(shù)對(duì)裂紋密度的影響Fig.15 Influence of process parameters on the solidification defects and crack density of SEBM CMSX-4 superalloy[24]: (a) effect of process parameters on the bonding defects, (b) effect of process parameters on crack density

(2)獲得單晶組織可有效抑制晶間開(kāi)裂。Chauvet等[65]以Ni-Co-Cr-Mo-Al-Ti-B(質(zhì)量分?jǐn)?shù)wTi+wAl=8.6%)成分合金在較高線能量密度(EL)條件下利用SEBM在逐層生長(zhǎng)過(guò)程中得到了致密無(wú)裂紋的單晶試樣。如圖16所示，XZ截面的EBSD結(jié)果表明，試樣中上部沒(méi)有觀察到晶界存在，證實(shí)了單晶組織的獲得。Chauvet等同時(shí)指出，抑制高角度晶界的形成是防止晶間裂紋的有效方法。K?rner等[31]采用類似的掃描參數(shù)，制備出了無(wú)裂紋的SEBM單晶CMSX-4合金，通過(guò)與鑄造態(tài)合金比較，發(fā)現(xiàn)SEBM合金凝固組織中枝晶尺寸比鑄造態(tài)樣品小約2個(gè)數(shù)量級(jí)，并且枝晶間距也低得多。SEBM單晶通過(guò)進(jìn)一步熱處理可以實(shí)現(xiàn)均勻化，消除成分偏析，綜合性能略優(yōu)于經(jīng)熱處理后的鑄造態(tài)試樣。

然而，從圖16a中同時(shí)可以看出，受到工藝特性的限制，通過(guò)逐層選晶獲得的單晶合金組織僅局限于試樣的中上部區(qū)域，輪廓邊緣和下方仍為多晶結(jié)構(gòu)。

圖16 SEBM獲得的鎳基單晶高溫合金[65]：(a)試樣中心區(qū)域?yàn)閱尉В?b)在單晶區(qū)域中部獲得的IPF-Z圖；(c)(001)和(111)極射圖；(d)整個(gè)橫截面IPF圖，表明存在寬度大于15 mm的單晶Fig.16 Ni-based single crystal superalloy fabricated by SEBM[65]: (a) sample exhibiting a monocrystalline central region; (b) IPF-Z map acquired in the central part; (c) (001) and (111) pole figures; (d) IPF maps of the whole transverse section, demonstrating the presence of a single crystal over a width>15 mm

(3)通過(guò)獲得細(xì)小柱狀晶或等軸晶以增加晶界面積,可以起到分散應(yīng)力的作用，從而抑制裂紋產(chǎn)生。Rappaz等[66]發(fā)現(xiàn)，裂紋通常只發(fā)生在高角度晶界或柱狀晶寬度大于100 μm的部分，由位錯(cuò)群組成的低角度晶界通常沒(méi)有裂紋存在。對(duì)此，Kontis等[29]通過(guò)掃描策略及SEBM參數(shù)調(diào)控，制備出了無(wú)裂紋的等軸晶試樣，微觀組織如圖17所示。這些等軸晶粒的微觀結(jié)構(gòu)均勻，且具有隨機(jī)的晶體織構(gòu)，其最大取向密度僅為{001}極射投影圖中隨機(jī)取向分布的1.8倍。相較于晶粒粗大的柱狀晶試樣，對(duì)具有細(xì)小等軸晶試樣的拉伸測(cè)試結(jié)果表明，由于沒(méi)有裂紋缺陷，試樣拉伸性能大大提升，工程應(yīng)變也從～5.0%(存在裂紋的柱狀晶試樣)提升到20.0%～27.0%。

與此類似，作者課題組[25]的前期研究結(jié)果表明，通過(guò)調(diào)控電子束掃描參數(shù)，隨著SEBM線能量密度(EL)的增加(0.16～3 J/mm)，晶粒尺寸逐漸減小，合金中裂紋率逐漸降低。當(dāng)EL增加到3 J/mm時(shí)，獲得了如圖18所示的具有細(xì)小柱狀晶組織、致密無(wú)裂紋的IC21鎳基高溫合金。

圖18 SEBM制備的IC21高溫合金:(a)致密無(wú)裂紋組織,(b，c)細(xì)柱狀晶粒的光學(xué)顯微照片，(d)細(xì)小柱狀枝晶結(jié)構(gòu)的SEM照片[25]Fig.18 Optical micrographs of IC21 superalloy showing the crack-free microstructure (a) and fine columnar grains (b), an enlarged view of Fig.18b showing the grain structure (c)， SEM micrograph showing the fine dendritic structure (d)[25]

(4)在單晶基板上外延生長(zhǎng)獲得單晶組織也是抑制合金晶間開(kāi)裂的方法。研究結(jié)果表明，外延生長(zhǎng)較上文(3)部分的單晶選晶具有更寬的工藝窗口，降低了參數(shù)調(diào)控難度。諸多研究團(tuán)隊(duì)對(duì)不同工藝參數(shù)下的單晶外延生長(zhǎng)組織進(jìn)行了研究。Santos等[67]在CMSX-4單晶基板上通過(guò)激光沉積技術(shù)獲得了單晶René N4合金；Amrita等[23]采用激光外延技術(shù)在René N5基體上實(shí)現(xiàn)了René 142單晶的單道沉積。

相較于SLM技術(shù)，SEBM技術(shù)可通過(guò)粉末床預(yù)熱(>1000 ℃)降低凝固應(yīng)力，從而降低合金外延生長(zhǎng)過(guò)程中的開(kāi)裂傾向，提高外延生長(zhǎng)穩(wěn)定性。作者課題組近期采用SEBM技術(shù)在CMSX-4單晶基板上制備出了致密無(wú)裂紋的外延生長(zhǎng)DD5單晶合金。此方法有望為單晶合金部件的損傷修復(fù)提供一種備選的工業(yè)化方法。如圖19所示，采用SEBM在具有葉片輪廓形狀的單晶試樣表面外延生長(zhǎng)出了厚度約為10 mm的合金，同時(shí)保證了其單晶組織和外形尺寸，表明SEBM外延生長(zhǎng)單晶合金具有良好的可重復(fù)性。

圖19 用于葉片制備和葉片修復(fù)試樣的制備態(tài)形貌：(a)CMSX-4單晶基板相對(duì)于不銹鋼起始板位置的示意圖,(b)外延生長(zhǎng)制備態(tài)試樣的宏觀照片,(c)葉片修復(fù)試樣的制備態(tài)宏觀照片,(d)圖19c中沿切割線切開(kāi)觀察到的微觀形貌的光學(xué)顯微照片,(e)圖19d所示紅色線框位置EBSD測(cè)試獲得的IPF圖和極圖Fig.19 Microstructure of as-built samples for blade preparation and repair: (a) schematic diagram of the position of CMSX-4 single crystal substrate to the stainless steel starting plate, (b) macro photo of epitaxial growth as-built sample, (c) macrophotograph of prepared blade repaire sample, (d) microstructure of cutting along the cut line in Fig.19c, (e) IPF and pole figures obtained from Fig.19d

6 發(fā)展趨勢(shì)

6.1 機(jī)器學(xué)習(xí)和高通量合金成分設(shè)計(jì)

開(kāi)展適配于AM工藝的新型高溫合金成分研究是目前國(guó)際上的研究熱點(diǎn)。但由于高溫合金中存在10種以上的合金元素，傳統(tǒng)的通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)合金的方法周期長(zhǎng)、成本高。采用機(jī)器學(xué)習(xí)方式設(shè)計(jì)AM專用合金是目前的主流研究思路。主要采用3種設(shè)計(jì)方法：數(shù)學(xué)模型計(jì)算、熱力學(xué)相圖計(jì)算(calculation of phase diagram，CALPHAD)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)(artificial neural networks，ANN)。

在數(shù)學(xué)模型計(jì)算方法方面，美國(guó)加州大學(xué)圣巴巴拉分校的Murray等[26]利用DFT(density functional theory)、VASP(Vienna ab initio simulation package)、SQSs(special quasirandom structures)、ANNNI(axial next-nearest neighbor Ising)、DMLF(diffuse multi-layer fault)等模型計(jì)算了高溫合金溶質(zhì)元素對(duì)層錯(cuò)能的影響，發(fā)現(xiàn)Ti，Ta，Nb，Ni是良好的合金化添加元素，由此開(kāi)發(fā)出了組分為Co-32.4Ni-11.7Al-4.4W-3.3Cr-1.5Ta(%，原子百分?jǐn)?shù))的Co-Ni基高溫合金SB-CoNi-10，在化學(xué)偏析的層面上對(duì)布里奇曼(Bridgman)鑄造態(tài)、SEBM和SLM制備態(tài)的上述合金進(jìn)行組織及性能研究。結(jié)果表明，與現(xiàn)有高γ′相含量鎳基高溫合金相比，設(shè)計(jì)出的Co-Ni基高溫合金在打印過(guò)程中形成缺陷的可能性更低，具有出色的延展性和較高的極限拉伸強(qiáng)度。

在CALPHAD方面，英國(guó)牛津大學(xué)Tang等[68]設(shè)計(jì)出一種具有適當(dāng)強(qiáng)度和抗蠕變性能，并具有足夠加工性能的鎳基高溫合金：ABD-850AM和ABD-900AM，合金設(shè)計(jì)技術(shù)空間如圖20所示。該合金設(shè)計(jì)方法強(qiáng)調(diào)了對(duì)凝固范圍和應(yīng)變時(shí)效開(kāi)裂指數(shù)的估計(jì)。在0.5 K的溫度步長(zhǎng)下，使用Thermo-Calc軟件的Scheil凝固模塊和TTNi8數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算凝固路徑。利用Kou[69]給出的凝固裂紋指數(shù)(solidification cracking index，SCI)對(duì)IN718、IN738LC和ABD-900AM這3種鎳基高溫合金的開(kāi)裂敏感性進(jìn)行分析研究，指出若合金固相分?jǐn)?shù)在臨界范圍(0.9

圖20 新型高溫合金的合金成分設(shè)計(jì)區(qū)間及與傳統(tǒng)合金成分對(duì)比[68]：(a)高溫合金的可焊性圖，確定了最大應(yīng)變時(shí)效開(kāi)裂指數(shù)；(b，c)應(yīng)變時(shí)效開(kāi)裂指數(shù)及其與γ′相體積分?jǐn)?shù)和蠕變指數(shù)的關(guān)系；(d，e)與γ′相體積分?jǐn)?shù)和最優(yōu)蠕變指數(shù)相關(guān)的凝固范圍的大小，圖中給出了應(yīng)變時(shí)效開(kāi)裂和蠕變優(yōu)值等值線；(f)根據(jù)凝固范圍，應(yīng)變時(shí)效開(kāi)裂指數(shù)以及所需的最小強(qiáng)度和蠕變，給出了新型高溫合金的設(shè)計(jì)區(qū)間Fig.20 Computational alloy design spaces used for new grades of superalloy, locations of heritage alloys are also plotted for comparison[68]: (a) modified weldability diagram with maximum strain-age cracking index identified; (b, c) strain-age cracking merit index and its relationship to γ′ fraction and creep merit index; (d, e) presents magnitude of freezing range in relation to γ′ fraction and creep merit index, where strain-age cracking and creep merit contours are indicated; (f) the final design space used to isolate new grades of alloy based upon freezing range, strain-age cracking index and minimum required strength and creep

(4)

其中，fS是固相分?jǐn)?shù)，T是凝固溫度。

ANN方法與相計(jì)算(phase computation，PHACOMP)結(jié)合，也被逐漸應(yīng)用于高溫合金成分設(shè)計(jì)。通過(guò)預(yù)測(cè)蠕變斷裂時(shí)間，再將蠕變斷裂時(shí)間與成分、γ′體積分?jǐn)?shù)、TCP相形成、溫度和應(yīng)力等進(jìn)行關(guān)聯(lián)[70]；然后可以從設(shè)計(jì)空間選取實(shí)驗(yàn)合金成分，利用CALPHAD軟件對(duì)合金的凝固行為進(jìn)行研究。預(yù)測(cè)高溫合金性能的3種方法總結(jié)如表1[71]。目前，由于能夠直接關(guān)聯(lián)微觀組織與力學(xué)性能之間的材料計(jì)算軟件仍處于初級(jí)階段，因此ANN模型是目前構(gòu)建合金成分、組織與性能之間關(guān)系的有力工具。ANN的應(yīng)用有助于縮短材料開(kāi)發(fā)周期，也可為計(jì)算材料工程開(kāi)辟了新的研究方法。

表1 預(yù)測(cè)鎳基高溫合金性能的方法[71]

6.2 凝固過(guò)程的數(shù)值模擬和組織調(diào)控

針對(duì)AM過(guò)程的數(shù)值模擬主要包括宏觀尺度的熱應(yīng)力模擬和微觀尺度的熔池凝固組織模擬。魏雷等[72]對(duì)此進(jìn)行了較為詳盡的綜述。同激光加工相比，SEBM加工部件尺寸僅局限于數(shù)百毫米范圍，且由于SEBM粉床預(yù)熱降低了成形件的宏觀應(yīng)力，因此SEBM領(lǐng)域涉及的數(shù)值模擬主要圍繞微觀尺度開(kāi)展。

開(kāi)展電子束與金屬材料相互作用的數(shù)值模擬，有助于加深對(duì)SEBM過(guò)程中熔體凝固行為的認(rèn)知。K?rner等[73, 74]建立了SEBM過(guò)程中的二維耦合Cellular Automaton (CA)-Lattice Boltzmann (LB)模型，并將其成功應(yīng)用于模擬SEBM過(guò)程中電子束與粉末床的交互作用，以及溫度場(chǎng)和流場(chǎng)對(duì)獲得晶粒結(jié)構(gòu)的影響；Yan等[75]使用粉末擴(kuò)散的離散元模型和粉末熔化的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型，開(kāi)發(fā)出了可用于SEBM過(guò)程的多尺度多物理場(chǎng)耦合模型。

在此基礎(chǔ)上，數(shù)值模擬手段已經(jīng)逐漸成為AM高溫合金組織調(diào)控的有力輔助工具。Koepf等[76]采用預(yù)測(cè)枝晶生長(zhǎng)的三維模型模擬了SEBM制備Inconel 718的晶粒結(jié)構(gòu)。Sames等[77]根據(jù)實(shí)測(cè)熱循環(huán)、初步熱模擬和計(jì)算熱力學(xué)模型，對(duì)SEBM制備Inconel 718合金的微觀結(jié)構(gòu)差異進(jìn)行討論，并對(duì)制備參數(shù)、凝固組織、枝晶間偏析和相析出之間的關(guān)系進(jìn)行了探究。Dehoff等[78]利用Kurz-Giovanola-Trivedi(KGT)快速凝固模型模擬計(jì)算出了SEBM制備Inconel 718合金在不同SEBM成形參數(shù)下的溫度梯度G與固液界面移動(dòng)速率R，以G為橫坐標(biāo)、R為縱坐標(biāo)繪制出的凝固路徑圖，闡明了CET與SEBM成形參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。Babu等[79]基于多組元體系熱力學(xué)模型計(jì)算并預(yù)測(cè)了不同形核量下Inconel 718合金的凝固組織，圖21中黑色數(shù)據(jù)點(diǎn)為計(jì)算出的SEBM過(guò)程中典型制備工藝參數(shù)下的G和R值(N0為凝固界面前沿初始形核數(shù))。由圖可知，SEBM中初始形核數(shù)越高，越容易導(dǎo)致等軸晶形成。

圖21 形核量對(duì)SEBM制備Inconel 718合金CET的影響[79]：(a)高形核量8×1015 m-3；(b)低形核量8×1012 m-3Fig.21 CET conditions during SEBM process of Inconel 718 superalloy are shown for high-number (8×1015 m-3) (a) and low-number (8×1012 m-3) (b) of pre-existing nuclei[79]

7 結(jié) 語(yǔ)

先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的快速發(fā)展離不開(kāi)高性能高溫合金。作為重要的高溫結(jié)構(gòu)材料，優(yōu)異的高溫力學(xué)性能、良好的組織穩(wěn)定性、更好的耐腐蝕和抗氧化性能以及低合金密度、低制造成本是未來(lái)高溫合金材料不斷發(fā)展的方向。

隨著增材制造技術(shù)在國(guó)家戰(zhàn)略規(guī)劃中的地位不斷提升，以電子束選區(qū)熔化(SEBM)、激光選區(qū)熔化(SLM)等為代表的增材制造技術(shù)將成為未來(lái)高溫合金部件加工制造的重要手段?；诖耍_(kāi)發(fā)增材制造專用高溫合金成分、開(kāi)展相關(guān)的計(jì)算機(jī)模擬和預(yù)測(cè)技術(shù)也將成為這一領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。