鎳基高溫合金增材制造研究進展
時間：2024-05-14 09:12 來源：材料工程 作者：admin 閱讀：次
來源：材料工程
作者：衛東雨
鎳基高溫合金具有良好的高溫性能和抗氧化性能常用于制造航空發動機和工業燃氣輪機中在高溫工作環境中服役的零件。增材制造是一種快速制造技術，其主要特點是通過材料逐層堆積構建出所需的三維結構。其優點在于可以制造出復雜結構件，節省材料，制造小批量或個性化產品，制造多材料組合件，為高端制造業的發展帶來了新的機遇。此外，增材制造獨特的微觀組織，可以提高產品性能，使其逐漸成為制備高溫合金復雜零件的主要方法之一。本文對增材制造鎳基高溫合金的制備方法、常見牌號以及合金的組織與性能進行了綜述，總結了當前存在的問題，提出了未來值得探索的研究領域。
增材制造方法
增材制造，又稱3D打印，是一種使用激光束、電子束、電弧等作為能源將原材料整合成致密部件的制造技術。金屬增材技術制造依據送料系統可分為粉床、送粉和送絲系統。表1主要介紹了不同的增材制造方法的基本過程及優缺點。
增材制造鎳基合金
· 常用增材制造鎳基高溫合金
鎳基高溫合金以Ni-Cr二元系作為其基體，并加入固溶強化、沉淀強化和晶界強化元素以進行強化。表2主要介紹了被廣泛用于增材制造的鎳基高溫合金的化學成分，包含IN625，IN718，Hastelloy X，CM247LC和IN738LC。其中Hastelloy X和IN625為固溶強化鎳基高溫合金，該合金主要依靠添加固溶元素和形成碳化物來增強其強度。IN718是使用最為廣泛使的一種沉淀強化鎳基高溫合金，占所有高溫合金產量的35%（質量分數，下同）以上，主要通過常見的析出相包括γʹ和γ″來增強其強度，IN718合金中Al、Ti總含量仍較低，表現出良好的可焊性和可打印性。CM247LC和IN738LC合金中鋁鈦含量超過了5%，通常被稱為難焊鎳基高溫合金，較高的鋁鈦含量使合金中容易形成高體積分數的γʹ強化相。
· 增材制造鎳基高溫合金的室溫拉伸性能
表3~6顯示了不同鎳基高溫合金的室溫拉伸性能。總結出高溫合金的拉伸性能受到多種因素的影響。首先，增材制造鎳基高溫合金的拉伸性能與鎳基高溫合金種類密切相關。固溶強化的Hastelloy X與IN625合金的室溫拉伸性能整體較低，合金的塑性較好；IN718合金的塑性不如IN625合金，但其強度經過適合的增材制造和后處理可以達到較高的程度；難焊高溫合金CM247LC和IN738LC由于其含有大量的γʹ強化相，其強度普遍較高，但在打印過程中容易出現裂紋問題，塑性較差。
其次，高溫合金的室溫拉伸性能受到加工方法的影響。一般來說，增材制造合金的室溫拉伸性能高于傳統鑄造制備的零件。在不同增材制造方法中，WAAM制備得到的合金強度較低，有時甚至低于鑄造的水平；PBF方法制備的合金室溫拉伸性能的分散性較大，其性能極不穩定；而DED制備的合金的室溫拉伸性能高于WAAM，相比PBF，其室溫拉伸性能的分散性較低。
最后，增材制造高溫合金的拉伸性能會受到熱處理的影響，不同類型的高溫合金在熱處理后其拉伸性能變化略有不同。對于固溶強化型鎳基高溫合金，如IN625、Hastelly X，在熱處理后，合金的強度下降，而塑性提高；在HIP處理后，IN738LC合金在室溫拉伸強度和伸長率方面都有所提高；打印態的CM247LC在標準熱處理后與打印態CM247LC的屈服強度相差不大，經過HIP處理后，強度變化不大，但延展性有所提高。通過合適的熱處理，增材制造的高溫合金可以實現性能顯著提升。
存在的問題
盡管增材制造已被廣泛應用于鎳基高溫合金的制備中，但仍存在大量待解決的問題。
（1）增材制造合金的微觀組織和力學性能存在明顯的各向異性。在增材制造試樣內部形成了沿<001>方向具有明顯織構的柱狀晶組織，這種獨特的微觀組織導致了合金在力學性能上的各向異性。
（2）高性能鎳基高溫合金打印性能差，開裂敏感性高。高性能的鎳基高溫合金焊接性能差，裂紋敏感性問題依然是當前增材制造中面臨的一項重要技術挑戰。
（3）缺乏鎳基高溫合金增材制造的規范和標準。行業標準對于最終產品質量穩定性至關重要，但在增材制造領域，缺乏全面的、統一的標準仍是一個突出的問題。相關規劃和標準的建立對于推動增材制造的大規模生產和工業應用至關重要。
未來研究領域
增材制造鎳基高溫合金領域充滿大量機遇，基于本綜述，作者提出了一些值得探索的領域。增材制造鎳基高溫合金未來的研究領域包含：
（1）增材制造鎳基高溫合金熱處理
熱處理可減少增材制造鎳基高溫合金的冶金缺陷和調控微觀組織，實現材料性能優化。但目前的大多數熱處理方法是基于傳統經驗，而這些經驗并不完全適用于增材制造過程中零件，亟需建立適用于增材制造鎳基高溫合金的熱處理技術。
（2）增材制造新型無裂紋鎳基高溫合金的定制和開發
增材制造領域面臨的機遇之一是新合金的開發。目前多數獲得應用的增材制造鎳基高溫合金主要是為鑄造或鍛造等傳統制造方法設計的，導致一些高性能高溫合金無法適用于增材制造。高溫合金中多種元素之間存在強相互作用，通過使用機器學習、計算材料科學、材料設計軟件和高通量方法的綜合應用，可以加速高溫合金設計與驗證，為合金設計和優化提供快速、低成本和可靠的途徑。
（3）探索復雜結構鎳基高溫合金增材部件的工藝-結構-性能關系
盡管鎳基高溫合金增材制造工藝、材料開裂行為和力學性能之間的關系已有一定的理解，但直接將這些關系應用于更大尺寸或更精細、具有復雜結構的實際工程部件仍然面臨挑戰。因此，深入研究增材制造鎳基高溫合金部件中精細特征和大尺寸晶格結構可控制備，以及復雜結構工程部件的殘余應力分布與演變、開裂行為和構件服役性能等，對于推動其工程應用十分關鍵。
（4）計算和建模用于解決增材制造過程中的各種問題
通過整合計算與建模、人工智能技術至增材制造的各個階段，可實現更高效、精確和可持續的穩定生產。基于人工智能的在線監測系統和反饋系統可在工藝實時控制和優化方面起到關鍵作用。增材制造的計算與建模領域將更加依賴于人工智能、在線監測系統以及模擬與建模的融合，來進一步推動該領域的快速發展。
團隊介紹
祝國梁研究員團隊，隸屬于上海交通大學材料科學與工程學院凝固科學與技術研究所。團隊主要圍繞金屬增材制造技術、承載功能一體化構筑材料開展研究工作，現有包括國防高層次人才、青年長江、青年托舉在內的正高1人、副高1人和中級3人，牽頭承擔了重大基礎研究項目、重大專項課題、國家自然科學基金、教育部聯合基金等項目，發表SCI論文百余篇，獲省部級獎勵4項。
原文出處：祝國梁, 羅樺, 賀戩, 等. 鎳基高溫合金增材制造研究進展[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
作者：衛東雨
鎳基高溫合金具有良好的高溫性能和抗氧化性能常用于制造航空發動機和工業燃氣輪機中在高溫工作環境中服役的零件。增材制造是一種快速制造技術，其主要特點是通過材料逐層堆積構建出所需的三維結構。其優點在于可以制造出復雜結構件，節省材料，制造小批量或個性化產品，制造多材料組合件，為高端制造業的發展帶來了新的機遇。此外，增材制造獨特的微觀組織，可以提高產品性能，使其逐漸成為制備高溫合金復雜零件的主要方法之一。本文對增材制造鎳基高溫合金的制備方法、常見牌號以及合金的組織與性能進行了綜述，總結了當前存在的問題，提出了未來值得探索的研究領域。
增材制造方法
增材制造，又稱3D打印，是一種使用激光束、電子束、電弧等作為能源將原材料整合成致密部件的制造技術。金屬增材技術制造依據送料系統可分為粉床、送粉和送絲系統。表1主要介紹了不同的增材制造方法的基本過程及優缺點。
表1 不同增材制造方法對比
增材制造鎳基合金
· 常用增材制造鎳基高溫合金
鎳基高溫合金以Ni-Cr二元系作為其基體，并加入固溶強化、沉淀強化和晶界強化元素以進行強化。表2主要介紹了被廣泛用于增材制造的鎳基高溫合金的化學成分，包含IN625，IN718，Hastelloy X，CM247LC和IN738LC。其中Hastelloy X和IN625為固溶強化鎳基高溫合金，該合金主要依靠添加固溶元素和形成碳化物來增強其強度。IN718是使用最為廣泛使的一種沉淀強化鎳基高溫合金，占所有高溫合金產量的35%（質量分數，下同）以上，主要通過常見的析出相包括γʹ和γ″來增強其強度，IN718合金中Al、Ti總含量仍較低，表現出良好的可焊性和可打印性。CM247LC和IN738LC合金中鋁鈦含量超過了5%，通常被稱為難焊鎳基高溫合金，較高的鋁鈦含量使合金中容易形成高體積分數的γʹ強化相。
表2 常見增材制造用鎳基高溫合金的成分（質量分數/%）
· 增材制造鎳基高溫合金的室溫拉伸性能
表3~6顯示了不同鎳基高溫合金的室溫拉伸性能。總結出高溫合金的拉伸性能受到多種因素的影響。首先，增材制造鎳基高溫合金的拉伸性能與鎳基高溫合金種類密切相關。固溶強化的Hastelloy X與IN625合金的室溫拉伸性能整體較低，合金的塑性較好；IN718合金的塑性不如IN625合金，但其強度經過適合的增材制造和后處理可以達到較高的程度；難焊高溫合金CM247LC和IN738LC由于其含有大量的γʹ強化相，其強度普遍較高，但在打印過程中容易出現裂紋問題，塑性較差。
其次，高溫合金的室溫拉伸性能受到加工方法的影響。一般來說，增材制造合金的室溫拉伸性能高于傳統鑄造制備的零件。在不同增材制造方法中，WAAM制備得到的合金強度較低，有時甚至低于鑄造的水平；PBF方法制備的合金室溫拉伸性能的分散性較大，其性能極不穩定；而DED制備的合金的室溫拉伸性能高于WAAM，相比PBF，其室溫拉伸性能的分散性較低。
最后，增材制造高溫合金的拉伸性能會受到熱處理的影響，不同類型的高溫合金在熱處理后其拉伸性能變化略有不同。對于固溶強化型鎳基高溫合金，如IN625、Hastelly X，在熱處理后，合金的強度下降，而塑性提高；在HIP處理后，IN738LC合金在室溫拉伸強度和伸長率方面都有所提高；打印態的CM247LC在標準熱處理后與打印態CM247LC的屈服強度相差不大，經過HIP處理后，強度變化不大，但延展性有所提高。通過合適的熱處理，增材制造的高溫合金可以實現性能顯著提升。
表3 不同制備方式下IN625 合金的室溫拉伸性能
表4 不同制備方式下IN718 合金的室溫拉伸性能
表5 不同制備方式下Hastelloy X 合金的室溫拉伸性能
表6 不同制備方式下CM247LC 和IN738LC 合金的室溫拉伸性能
存在的問題
盡管增材制造已被廣泛應用于鎳基高溫合金的制備中，但仍存在大量待解決的問題。
（1）增材制造合金的微觀組織和力學性能存在明顯的各向異性。在增材制造試樣內部形成了沿<001>方向具有明顯織構的柱狀晶組織，這種獨特的微觀組織導致了合金在力學性能上的各向異性。
（2）高性能鎳基高溫合金打印性能差，開裂敏感性高。高性能的鎳基高溫合金焊接性能差，裂紋敏感性問題依然是當前增材制造中面臨的一項重要技術挑戰。
（3）缺乏鎳基高溫合金增材制造的規范和標準。行業標準對于最終產品質量穩定性至關重要，但在增材制造領域，缺乏全面的、統一的標準仍是一個突出的問題。相關規劃和標準的建立對于推動增材制造的大規模生產和工業應用至關重要。
未來研究領域
增材制造鎳基高溫合金領域充滿大量機遇，基于本綜述，作者提出了一些值得探索的領域。增材制造鎳基高溫合金未來的研究領域包含：
（1）增材制造鎳基高溫合金熱處理
熱處理可減少增材制造鎳基高溫合金的冶金缺陷和調控微觀組織，實現材料性能優化。但目前的大多數熱處理方法是基于傳統經驗，而這些經驗并不完全適用于增材制造過程中零件，亟需建立適用于增材制造鎳基高溫合金的熱處理技術。
（2）增材制造新型無裂紋鎳基高溫合金的定制和開發
增材制造領域面臨的機遇之一是新合金的開發。目前多數獲得應用的增材制造鎳基高溫合金主要是為鑄造或鍛造等傳統制造方法設計的，導致一些高性能高溫合金無法適用于增材制造。高溫合金中多種元素之間存在強相互作用，通過使用機器學習、計算材料科學、材料設計軟件和高通量方法的綜合應用，可以加速高溫合金設計與驗證，為合金設計和優化提供快速、低成本和可靠的途徑。
（3）探索復雜結構鎳基高溫合金增材部件的工藝-結構-性能關系
盡管鎳基高溫合金增材制造工藝、材料開裂行為和力學性能之間的關系已有一定的理解，但直接將這些關系應用于更大尺寸或更精細、具有復雜結構的實際工程部件仍然面臨挑戰。因此，深入研究增材制造鎳基高溫合金部件中精細特征和大尺寸晶格結構可控制備，以及復雜結構工程部件的殘余應力分布與演變、開裂行為和構件服役性能等，對于推動其工程應用十分關鍵。
（4）計算和建模用于解決增材制造過程中的各種問題
通過整合計算與建模、人工智能技術至增材制造的各個階段，可實現更高效、精確和可持續的穩定生產。基于人工智能的在線監測系統和反饋系統可在工藝實時控制和優化方面起到關鍵作用。增材制造的計算與建模領域將更加依賴于人工智能、在線監測系統以及模擬與建模的融合，來進一步推動該領域的快速發展。
團隊介紹
原文出處：祝國梁, 羅樺, 賀戩, 等. 鎳基高溫合金增材制造研究進展[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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