【焦点】高温合金 l 基于数字图像相关技术的SLM-IN718细观表面裂纹扩展机制研究…l 西北有色金属研究院…

| 3DScienceValley · 2024/04/07

谷专栏

与传统的加工路线相比，增材制造过程中的高热梯度和冷却速率可显著改善固化后的结构，从而减少了固溶热处理所需的时间。多数常规镍基高温合金无法从精密铸造工艺过渡到3D打印技术中使用，因为这些材料是针对铸造等传统工艺进行优化的。由于3D打印过程的快速重复热循环，可以通过成分计算数据驱动的方式设计出针对3D打印工艺参数的新成分，从而针对增材制造的高冷却速率调整微观结构和性能。因此，面向增材制造工艺对镍基高温合金材料进行优化，减轻其冶金缺陷，推出适合3D打印的合金材料，在推动高温合金增材制造应用过程中起到重要作用。

本期，通过节选近期国内在高温合金方面的实践与研究的多个闪光点，3D科学谷与谷友一起来领略的这一领域的研究近况。

基于数字图像相关技术的SLM-IN718
细观表面裂纹扩展机制研究

刘辉、孙锐、周永康、白润、夏明星、蔡小梅、王峰、张文
西北有色金属研究院难熔金属材料研究所

摘要：

开展了室温下不同应力比（R=0.1及R=-1）的原位疲劳试验，并结合数字图像相关（digital image correlation,DIC）技术分析了选区激光熔化IN718镍基高温合金（SLM-IN718）的细观超高周疲劳表面裂纹扩展机制。结果表明：首先，DIC分析表明SLM-IN718受载时裂纹尖端出现了类似蝴蝶形的塑性应变区，这与采用VonMises屈服准则计算结果相一致；其次，分析了裂尖前方应变场特征、位移场特征，对SLM-IN718而言，R=0.1与R=0条件下载荷分别达到最大载荷的53%与29%时裂纹张开；此外，建立了虑及裂纹闭合效应的裂尖塑性区尺寸评估模型，计算值与实测值一致性较好；最后，结合DIC分析结果探讨了SLM-IN718低应力条件下的表面裂纹扩展机制。

激光选区熔化GH5188
合金组织和性能研究

张元伟1苏庆2郎连林2陈建1李巍1刘雅辉3王俊3
1. 中国航发贵州黎阳航空动力有限公司2. 中国人民解放军93147部队某军事代表室3. 上海交通大学材料科学与工程学院

摘要：

针对GH5188高温合金支板的激光选区熔化制造工艺，设计了不同的增材制造工艺方案，对比分析了不同的增材制造工艺参数和热处理工艺参数对产品的微观组织和力学性能的影响，总结了GH5188高温合金支板的激光选区熔化工艺设计要点。最终获得了满足要求的激光选区熔化GH5188高温合金支板零件。

适用于激光增材制造的γ’相强化
镍基高温合金裂纹控制与成分设计研究进展

史淑静1李卓1,2杨晨2曾子恒2程序1,2汤海波1,2王华明1,2

1. 北京航空航天大学宁波创新研究院2. 北京航空航天大学大型金属构件增材制造国家工程实验室

摘要：

相强化镍基高温合金因其良好的高温组织与性能稳定性广泛应用于航空航天、石油化工、汽车能源等领域，激光增材制造可满足现代工程对零部件内部结构优化与自身轻量化的需求，成为镍基高温合金复杂结构零部件制造与修复的新兴技术。然而传统牌号高强镍基高温合金的成分及强化机制与激光增材制造快速非平衡凝固及固态相变过程不适配，较宽的凝固温度区间和失衡的高温强韧性易引起微裂纹缺陷，难以保证合金的组织完整性和力学性能，严重制约了激光增材制造技术在高性能高温合金中的应用推广。基于此，本文综述了激光增材制造γ’相强化镍基高温合金裂纹的形成原因和影响因素，根据开裂机理从成分修正、成形工艺参数优化、后处理制度调控等方面总结了裂纹控制相关研究进展，探讨了当前能从根源上抑制裂纹的专用合金成分开发策略，并对激光增材制造γ’相强化镍基高温合金的未来发展方向进行了展望。

镍基高温合金
增材制造研究进展

祝国梁1,2罗桦1贺戬1田雨生1卫东雨1谭庆彪1孔德成1

1. 上海交通大学材料科学与工程学院上海市先进高温材料及其精密成形重点实验室2. 上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室

摘要：

镍基高温合金因其优异的高温强度及耐腐蚀、抗氧化性能而备受关注，被广泛应用于航空航天等领域。研究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。金属增材制造技术制备的镍基高温合金具有良好性能，能实现复杂构件精密成形，且制备过程中材料浪费少，有望成为未来航空航天等领域中镍基高温合金构件的重要制备工艺。

常见的镍基高温合金增材制造方法有粉末床熔化、定向能量沉积和电弧增材制造等，粉末床熔化被广泛用于制造高精度和复杂零件，但制造速度相对较慢，且设备和材料成本较高。定向能量沉积自由度和灵活性更高，可用于制备功能性梯度材料，但精度较低。电弧增材制造具有较低的设备成本和材料成本，适用于大型零件的快速制造，但其制备的合金表面粗糙度较差，需要进行额外的加工或后处理。

在增材制造过程中被广泛研究的镍基高温合金包含IN625,Hastelloy X等固溶强化型和IN718,CM247LC,IN738LC等沉淀强化型高温合金。与传统的铸造和锻造方法相比，增材制造独特的逐层成型、快冷快热的制备过程带来了粗大的柱状晶粒组织和大量细小晶粒的独特微观组织，还形成了独特的熔池组织及位错胞结构。但是，通过增材制造得到的合金一般还需要进行热处理，对晶粒组织、析出相等进行调控，从而影响合金的力学性能。此外，增材制造镍基高温合金的力学性能还与具体制备方法和合金种类有关。尽管目前增材制造已被广泛用于镍基高温合金的制备，但仍面临组织与性能存在各向异性、高性能合金开裂敏感性高以及缺乏相应的规范和标准等问题，将来需要在热处理、专用合金的定制与开发、探索工艺-结构-功能关系以及计算建模等方面深入探索。

Inconel 617镍基合金电弧
增材制造微观组织与力学性能

张旭、万金初、朱亮、吉明亮、杨宗辉

南京工程学院江苏省先进结构材料与应用技术重点实验室

摘要：

电弧增材制造技术基于分散累加原理，可实现镍基高温合金复杂结构快速无模加工，是一种广受关注的先进加工技术。该研究以高温耐蚀合金Inconel 617增材制造块体为研究对象，采用OM,SEM及万能拉伸试验机等手段分析了增材制造镍基合金块体微观组织及力学性能。

研究结果表明，Mo元素在柱状枝晶间偏析，促使大尺寸的Laves相沿枝晶析出。在拉伸应力下，Laves相由于脆性较高，易发生断裂，诱发裂纹萌生。由于裂纹扩展路径在不同方向拉伸时存在显著差异，导致增材制造构件沿沉积方向强度（900 MPa）显著高于垂直沉积方向强度（700 MPa）。该研究为电弧增材制造镍基合金的组织性能调控奠定了一定基础，为进一步推动电弧增材制造镍基合金构件的应用进行了有益探索。

增材制造Inconel 718的
电解质等离子体抛光工艺研究

柏聪、顾琳、赵万生
上海交通大学机械与动力工程学院,机械系统与振动国家重点实验室

摘要：

为解决增材制造的镍基高温合金部件难以满足高性能航空构件表面质量的问题，采用电解质等离子体抛光技术对增材Inconel 718样件进行抛光工艺试验。基于部分析因和响应曲面分析法，研究了抛光电压、电解液温度、加工时间、抛光剂浓度和络合剂浓度对表面粗糙度和材料去除率的影响规律，并对加工参数组合进行望小优化。

结果表明，当采用抛光电压314.4 V、电解液温度70℃、加工时间15 min、抛光剂和络合剂质量分数2%和2.5%，增材打印的Inconel 718工件表面粗糙度可从Ra2.93μm降至Ra0.307μm，此时的材料去除率为2.072μm/min。

In718合金激光粉末床熔融
悬垂结构成形数值模拟与实验研究

王材桦1来旭辉1杨欢庆2魏正英1
1. 西安交通大学先进制造技术研究所2. 中航工业西安航空发动机集团有限公司

摘要：

针对激光粉末床熔融(LPBF)成形中点阵倾斜支杆的悬垂打印质量问题,以In718悬垂熔道为研究单元，建立三维介观数值模型.基于离散单元法在建模软件EDEM中建立粉末床模型,基于有限体积法在Flow-3D中实现LPBF熔道成形过程,通过数值模拟分析激光-粉末颗粒相互作用的流动、传热、熔化、凝固过程.

结果表明,实体-粉末交界区域容易出现不连续的熔道,改善工艺参数可以提高该区域熔道成形的连续性.在低能量密度(44.19 J/mm3)下,施加高激光功率(300 W)不会产生匙孔缺陷,能够以比低激光功率(87.5 W)更强的马兰戈尼流动、更快的熔池流动速度填充不连续点,提高实体-粉末交界区域的熔道连续性.

电磁场辅助激光熔覆制备
IN718涂层的组织及性能研究

范仲华

江苏雷利电机股份有限公司

摘要：

采用电磁搅拌辅助激光熔覆在H13钢基体上制备IN718涂层，研究施加电磁场对激光熔覆IN718涂层的显微组织、显微硬度和耐磨性能的影响。结果表明：由于电磁搅拌力的作用，打碎了组织中的柱状晶和枝晶网络，有效促使了柱状晶向等轴晶的转变，电磁场辅助制备的涂层显微硬度相较于无磁场辅助的涂层提高了15.96%，平均摩擦因数和磨损量分别降低了21.3%和40.3%，耐磨性能得到明显提高。因此，在激光熔覆过程中施加电磁场可以有效改善熔覆层的显微组织和提高涂层的耐磨性能。

基于元胞自动机方法与欧拉多相流技术
的激光沉积IN718组织形貌模拟

石新升1,2,3董太宁4葛鸿浩1,2,3邹朋津4沈盟凯1,2,3张群莉1,2,3刘云峰1,2,3姚建华1,2,3
1. 浙江工业大学激光先进制造研究院2. 特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室3. 浙江工业大学机械工程学院4. 杭州汽轮动力集团股份有限公司

摘要：

为研究激光沉积过程中沉积层微观枝晶外延生长及转向机制，基于欧拉多相流技术与元胞自动机方法相结合，建立了激光沉积IN718二维熔化凝固模型。获得了沉积层温度场、流场以及微观凝固组织的演变过程，对比了模拟与实验所得沉积层枝晶外延生长区厚度，分析了顶部枝晶转向的机制。

结果表明：温度场与流场相互影响，模型对沉积层微观组织高度预测误差约为7.0%。沉积层顶部和中部晶体织构取向不同，枝晶的生长方向更偏向于局部热梯度方向，在沉积层顶部，局部热梯度的方向接近水平，枝晶的生长方向与局部热梯度偏角较小，因此形成平行于激光扫描方向的顶部转向枝晶区。

激光粉末床熔融Inconel718
合金工艺优化与组织演变

刘阳1,2徐靖1宁挺1杨洪宇1谭振国2郭世柏1,2王敏卜1
1. 湖南科技大学机电工程学院,高功效轻合金构件成形技术及耐损伤性能评价湖南省工程研究中心2. 湖南西交智造科技有限公司

摘要：

【目的】分析能量密度对激光粉末床熔融镍铁基高温合金(Inconel718,IN718)显微组织的主要影响，以期提高激光粉末床熔融IN718的致密度。

【方法】采用田口方法和方差分析方法优化激光功率、扫描速度、扫描间距，得到高致密合金样品激光功率-扫描速度-扫描间距的关系模型，并对模型得到的结果进行验证。

【结果】扫描间距对样品的相对密度影响最大，贡献率为38.31%;在研究范围内，熔池尺寸与体能量密度成正比，Al和Ti元素在晶界处有明显的微观偏析，能促进液膜开裂，从而导致裂纹等缺陷的形成。

【结论】设计的模型将有助于建立一种高效的LPBF制备Inconel718合金工艺。

激光熔覆镍基高温
耐磨合金的组织及性能

李胜、雷远涛、伍文星、申龙章、陈勇、朱红梅、邱长军
南华大学超常环境下装备安全服役技术湖南省重点实验室

摘要：

通过增加IN718合金中(Ti+Al)含量制备一种镍基高温耐磨合金，以满足超临界机组镍基合金阀门密封面再制造的需求。采用万能试验机、摩擦磨损试验机、XRD、SEM等仪器和JMatpro软件研究该合金激光熔覆试样的组织与性能。

研究结果如下：当IN718合金的(Ti+Al)含量增加至7.6%时熔覆层会出现开裂；当IN718合金的(Ti+Al)含量增加至6.6%时，其激光熔覆试样初始平均硬度值为40 HRC，抗拉强度为998 MPa，延伸率为5.2%，室温摩擦因素为0.75左右，磨损量为0.327 5 mm3，主相为γ相和γ′相，700℃×10 h时效处理后平均硬度值为54 HRC,700℃摩擦因素为0.35左右，磨损量为0.024 mm3，主相γ′占53%。

研究结果表明，IN718合金中(Ti+Al)含量增加至6.6%时具有良好的激光熔覆工艺性能和高温摩擦磨损性能，可应用于超临界/超超临界机组镍基合金阀门密封面的维修与再制造。