新南威尔士大学顶刊丨基于电子束和激光的镍基高温合金增材制造：微观结构和力学性能综述

由于能够按需制造复杂、近净形部件且材料浪费最少，因此将增材制造(AM)应用于镍基高温合金在航空航天和发电行业中具有重要意义。该综述旨在总结目前对增材制造镍基高温合金微观结构和机械性能异质性的理解。讨论了微观结构异质性包括化学成分、相构成、孔隙率、晶粒和枝晶形态以及固态沉淀物的异质性，和机械性能相关异质性包括硬度、拉伸、蠕变、疲劳和残余应力，并总结了缓解策略。

Graphical abstract

追求更高性能的涡轮发动机需要开发能够在高达650°C及更高温度下服役期间承受机械应力的合金。镍基高温合金是实现这一目的的理想选择，因为它们在较高的使用温度下具有高强度、抗蠕变性、腐蚀性能和微观结构稳定性的特殊组合。因此，它们广泛用于飞机涡轮机、火箭发动机和核电站。例如，它们占现代飞机发动机总重量的30%以上，因为它们用于支撑结构、旋转结构、旋转部件、压力容器和机翼等许多关键领域。这些零件的常见和成熟制造方法是铸造、锻造和粉末冶金。

镍基高温合金的微观结构由具有各种溶质元素的面心立方(FCC)γ基体组成。根据成分和加工路线的不同，基体中可形成有序金属间化合物γ′-(Ni3(Al,Ti))和γ′′-(Ni3(Nb))、Laves、δ和各种碳化物等析出物。标准热处理技术，如均匀化、固溶处理和时效，通常用于消除成分偏析并实现适当的γ'和/或γ''纳米级沉淀物分布，以优化任何特定应用的机械性能。尽管独特的微观结构赋予了这些合金优异的性能，但由于它们的高强度和显着的加工硬化率，这些合金的加工仍然具有挑战性，这会导致材料去除率低和刀具过度磨损。这使得通过传统的铸造和锻造制造技术制造具有复杂几何形状的零件非常耗时，有时甚至是不切实际的。

3D打印也被称为增材制造(AM)，现在允许制造商在相对较短的时间内用各种合金生产复杂的、近净形状的物体，材料浪费最少。这是一种先进的制造技术，允许使用粉末或其他类型的原料逐层制造3D组件。不同的AM方法，即定向能量沉积(DED)、电子束粉末床熔融(PBF-EB)和激光粉末床熔融(PBF-LB)，已被用于打印各种类型的合金。为简单起见，PBF-EB和PBF-LB（在ASTM标准中定义）的手稿中将分别使用首字母缩略词E-PBF和L-PBF。航空航天、核能和发电行业对金属AM的兴趣增加是因为它比传统制造技术具有许多优势。尽管迄今为止在金属AM领域取得了令人难以置信的进展，但目前对增材制造金属的微观结构演变的完整理解仍然滞后。获得优化且可重现的微结构，始终如一地提供所需的服役机械性能仍然是一项重大挑战。大多数建成的微结构通常是异质的，这是由于在几层相互沉积期间构建中的热条件（热梯度和冷却速率）的变化。例如，非平衡凝固微观结构和沿零件构建方向的固态相存在显着变化，这可能导致其他性能的异质性如机械、腐蚀和氧化。

几项研究表明增材制造加工的Ti-6Al-4V、CoCr、304L不锈钢的凝固微观结构（晶粒和枝晶形态）的不均匀性,和IN718[39],[40]。与建筑底部相比，顶部区域的微观结构通常更精细。固态相形态的异质性也经常被报道。此外，对于L-PBF生产的马氏体钢，研究的微观结构由上层的完全马氏体结构组成，而中部和底部区域具有高比例的残余奥氏体。在钛合金中也有类似的相分布微观结构不均匀性（例如，α和β相）的报道。

         

微观结构的异质性导致最终机械性能和其他性能的一些不确定性。这包括整个结构中强度、硬度、蠕变、疲劳、磨损和腐蚀特性分布的不均匀性。例如，某些区域将比其他区域具有更高的强度或硬度。因此，AM部件的异质性是一个关键问题，限制了AM在制造关键工程部件中的广泛应用。因此，需要详细了解微观结构异质性的机制，以推进关于如何利用AM制造具有均匀和可再现特性的零件的知识，并为AM开辟新的应用领域。

         

         

         

3D打印件的微观组织分布

         

到目前为止，已经在研究镍基高温合金的增材制造方面做出了广泛的努力，并且已经有几篇论文回顾了这一领域。这些评论文章大多集中在各种增材制造系统中合金的可加工性，由此产生的微观结构、机械性能、缺陷形成、增材制造后热处理计划，以及增材制造工艺参数对微观结构和机械性能的影响。然而，这些综述没有研究微观结构的异质性及其对机械性能的影响。因此，该综述旨在通过总结最近对增材制造镍基高温合金的研究来填补这一空白，以充分了解微观结构的不均匀性及其对机械性能的相应影响。该综述主要关注微观结构特性的不均匀性，如树枝状结构、晶粒形态、孔隙率、化学成分、凝固过程中形成的相和固态析出物。所讨论的机械性能的异质性包括硬度、拉伸、蠕变和残余应力，这些在文献中有足够的数据。还讨论了蠕变、拉伸和疲劳等机械性能的各向异性，因为增材制造镍基高温合金的微观结构在平行和垂直于构建方向的方向上存在显着差异。