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镍基高温合金增材制造研究进展

频道:深度解读 日期: 浏览:

来源:材料工程
作者:卫东雨

      镍基高温合金具有良好的高温性能和抗氧化性能常用于制造航空发动机和工业燃气轮机中在高温工作环境中服役的零件。增材制造是一种快速制造技术,其主要特点是通过材料逐层堆积构建出所需的三维结构。其优点在于可以制造出复杂结构件,节省材料,制造小批量或个性化产品,制造多材料组合件,为高端制造业的发展带来了新的机遇。此外,增材制造独特的微观组织,可以提高产品性能,使其逐渐成为制备高温合金复杂零件的主要方法之一。本文对增材制造镍基高温合金的制备方法、常见牌号以及合金的组织与性能进行了综述,总结了当前存在的问题,提出了未来值得探索的研究领域。
增材制造方法
       增材制造,又称3D打印,是一种使用激光束、电子束、电弧等作为能源将原材料整合成致密部件的制造技术。金属增材技术制造依据送料系统可分为粉床、送粉和送丝系统。表1主要介绍了不同的增材制造方法的基本过程及优缺点。

表1  不同增材制造方法对比


增材制造镍基合金

· 常用增材制造镍基高温合金

镍基高温合金以Ni-Cr二元系作为其基体,并加入固溶强化、沉淀强化和晶界强化元素以进行强化。表2主要介绍了被广泛用于增材制造的镍基高温合金的化学成分,包含IN625,IN718,Hastelloy X,CM247LC和IN738LC。其中Hastelloy X和IN625为固溶强化镍基高温合金,该合金主要依靠添加固溶元素和形成碳化物来增强其强度。IN718是使用最为广泛使的一种沉淀强化镍基高温合金,占所有高温合金产量的35%(质量分数,下同)以上,主要通过常见的析出相包括γʹ和γ″来增强其强度,IN718合金中Al、Ti总含量仍较低,表现出良好的可焊性和可打印性。CM247LC和IN738LC合金中铝钛含量超过了5%,通常被称为难焊镍基高温合金,较高的铝钛含量使合金中容易形成高体积分数的γʹ强化相。

表2  常见增材制造用镍基高温合金的成分(质量分数/%)


· 增材制造镍基高温合金的室温拉伸性能

表3~6显示了不同镍基高温合金的室温拉伸性能。总结出高温合金的拉伸性能受到多种因素的影响。首先,增材制造镍基高温合金的拉伸性能与镍基高温合金种类密切相关。固溶强化的Hastelloy X与IN625合金的室温拉伸性能整体较低,合金的塑性较好;IN718合金的塑性不如IN625合金,但其强度经过适合的增材制造和后处理可以达到较高的程度;难焊高温合金CM247LC和IN738LC由于其含有大量的γʹ强化相,其强度普遍较高,但在打印过程中容易出现裂纹问题,塑性较差。

其次,高温合金的室温拉伸性能受到加工方法的影响。一般来说,增材制造合金的室温拉伸性能高于传统铸造制备的零件。在不同增材制造方法中,WAAM制备得到的合金强度较低,有时甚至低于铸造的水平;PBF方法制备的合金室温拉伸性能的分散性较大,其性能极不稳定;而DED制备的合金的室温拉伸性能高于WAAM,相比PBF,其室温拉伸性能的分散性较低。

最后,增材制造高温合金的拉伸性能会受到热处理的影响,不同类型的高温合金在热处理后其拉伸性能变化略有不同。对于固溶强化型镍基高温合金,如IN625、Hastelly X,在热处理后,合金的强度下降,而塑性提高;在HIP处理后,IN738LC合金在室温拉伸强度和伸长率方面都有所提高;打印态的CM247LC在标准热处理后与打印态CM247LC的屈服强度相差不大,经过HIP处理后,强度变化不大,但延展性有所提高。通过合适的热处理,增材制造的高温合金可以实现性能显著提升。

表3 不同制备方式下IN625 合金的室温拉伸性能


表4 不同制备方式下IN718 合金的室温拉伸性能


表5 不同制备方式下Hastelloy X 合金的室温拉伸性能


表6 不同制备方式下CM247LC 和IN738LC 合金的室温拉伸性能


存在的问题
尽管增材制造已被广泛应用于镍基高温合金的制备中,但仍存在大量待解决的问题。

(1)增材制造合金的微观组织和力学性能存在明显的各向异性。在增材制造试样内部形成了沿<001>方向具有明显织构的柱状晶组织,这种独特的微观组织导致了合金在力学性能上的各向异性。

(2)高性能镍基高温合金打印性能差,开裂敏感性高。高性能的镍基高温合金焊接性能差,裂纹敏感性问题依然是当前增材制造中面临的一项重要技术挑战。

(3)缺乏镍基高温合金增材制造的规范和标准。行业标准对于最终产品质量稳定性至关重要,但在增材制造领域,缺乏全面的、统一的标准仍是一个突出的问题。相关规划和标准的建立对于推动增材制造的大规模生产和工业应用至关重要。

未来研究领域
增材制造镍基高温合金领域充满大量机遇,基于本综述,作者提出了一些值得探索的领域。增材制造镍基高温合金未来的研究领域包含:

(1)增材制造镍基高温合金热处理

热处理可减少增材制造镍基高温合金的冶金缺陷和调控微观组织,实现材料性能优化。但目前的大多数热处理方法是基于传统经验,而这些经验并不完全适用于增材制造过程中零件,亟需建立适用于增材制造镍基高温合金的热处理技术。

(2)增材制造新型无裂纹镍基高温合金的定制和开发

增材制造领域面临的机遇之一是新合金的开发。目前多数获得应用的增材制造镍基高温合金主要是为铸造或锻造等传统制造方法设计的,导致一些高性能高温合金无法适用于增材制造。高温合金中多种元素之间存在强相互作用,通过使用机器学习、计算材料科学、材料设计软件和高通量方法的综合应用,可以加速高温合金设计与验证,为合金设计和优化提供快速、低成本和可靠的途径。

(3)探索复杂结构镍基高温合金增材部件的工艺-结构-性能关系

尽管镍基高温合金增材制造工艺、材料开裂行为和力学性能之间的关系已有一定的理解,但直接将这些关系应用于更大尺寸或更精细、具有复杂结构的实际工程部件仍然面临挑战。因此,深入研究增材制造镍基高温合金部件中精细特征和大尺寸晶格结构可控制备,以及复杂结构工程部件的残余应力分布与演变、开裂行为和构件服役性能等,对于推动其工程应用十分关键。

(4)计算和建模用于解决增材制造过程中的各种问题

通过整合计算与建模、人工智能技术至增材制造的各个阶段,可实现更高效、精确和可持续的稳定生产。基于人工智能的在线监测系统和反馈系统可在工艺实时控制和优化方面起到关键作用。增材制造的计算与建模领域将更加依赖于人工智能、在线监测系统以及模拟与建模的融合,来进一步推动该领域的快速发展。

团队介绍

祝国梁研究员团队,隶属于上海交通大学材料科学与工程学院凝固科学与技术研究所。团队主要围绕金属增材制造技术、承载功能一体化构筑材料开展研究工作,现有包括国防高层次人才、青年长江、青年托举在内的正高1人、副高1人和中级3人,牵头承担了重大基础研究项目、重大专项课题、国家自然科学基金、教育部联合基金等项目,发表SCI论文百余篇,获省部级奖励4项。

原文出处:祝国梁, 罗桦, 贺戬, 等. 镍基高温合金增材制造研究进展[J]. 材料工程, 2024, 52(2): 1-15

ZHU G L, LUO H, HE J, et al. Advances in additive manufacturing of nickel-based high-temperature alloys[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(2): 1-15


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