中科院金属所丨激光增材制造GH4169高温合金力学性能研究取得新进展

选区激光熔化（Selective laser melting, SLM）成形是一种利用高能激光束逐层、逐道快速熔化金属粉末，实现复杂形状构件整体化成形的增材制造（Additive manufacturing, AM）技术。SLM成形由于其集成制造的特点和在复杂结构部件制造方面的显著优势，近年来已成为航空制造的关键发展技术和前沿方向。与传统的制备工艺不同，在AM成形过程中，不同加工工艺参数的选择以及构件几何形状的改变都会导致AM部件经历不同的热循环。较大的温度梯度和较快的冷却速率会导致AM成形合金中产生非均匀的微观组织结构（包括晶粒结构、晶体学取向、元素微偏析等）和残余应力。这种组织结构和残余应力的非均匀性会促使AM成形合金性能具有明显的各向异性。因此，如何澄清AM成形过程中不同加工工艺参数对合金组织结构和性能的影响规律，并探索合适的热处理工艺来改善合金的力学性能成为有待解决的关键科学问题。 

近期，中科院金属研究所张广平教授团队（薄膜与微尺度材料及力学性能课题组）以SLM成形GH4169合金为研究对象，考察了两种扫描方式（Stripe 67°和Chessboard）对SLM成形GH4169合金组织结构及室温拉伸性能的影响规律。研究发现，合金在平行和垂直于打印方向上残余应力的非均匀分布导致两种扫描方式制备的样品的屈服强度均表现出明显的各向异性行为；其中采用Chessboard扫描方式制备的样品具有更高的拉伸强度以及更明显的拉伸各向异性，这主要是因为Chessboard样品在垂直于打印方向上具有更高的残余压应力导致的；相比于Stripe 67°样品，Chessboard样品具有更为优异的加工硬化能力，这主要是由于Chessboard扫描方式会在样品中引入独特的异质晶粒结构（细等轴晶包围柱状晶），这种独特的异质晶粒结构在塑性变形过程中会在细等轴晶/柱状晶晶界处产生大量的几何必须位错来协调变形，因此Chessboard样品具有更为优异的加工硬化能力（图1）。

                             

在此基础上，进一步设计了两种（SA: 固溶/时效热处理和HA: 均匀化/时效热处理）针对SLM成形GH4169合金的热处理工艺，考察了其引入的不同微观组织结构对合金室温拉伸性能的影响。结果表明，由于g2强化相的析出导致热处理后合金的拉伸强度显著提升；此外，经SA处理后的样品具有更为优异的加工硬化能力，这主要是由于经SA处理后的样品会在晶内的枝晶界处析出均匀分布的针状的d相。而这些针状的d相在塑性变形过程中扮演不可切过粒子的角色，位错在外加应力的作用下，会与晶粒内均匀分布的抗剪切的针状d相相互作用形成Orowan位错环，进而对合金的加工硬化率产生额外的贡献（图2）。上述研究结果为改善SLM成形GH4169合金的力学性能提供了一种新的策略。

                             

相关研究成果在Mater. Sci. Eng., A 788 (2020) 139616. (DOI: 10.1016/j.msea.2020.139616) 和Mater. Charact. 190 (2022) 112064. (DOI: 10.1016/j.matchar.2022.112064) 上进行了详细的报道。 

来源：增材制造硕博联盟