南方科大&北科&东大顶刊丨激光粉末床熔融增材制造镍基高温合金裂纹愈合最新研究成果

               

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.119731

           

开裂是铸造和焊接等传统金属加工技术中的顽固缺陷。在激光粉末床熔融（LPBF）增材制造中，由于极端的熔化和凝固动力学，裂纹问题更为突出，阻碍了该技术应用于有裂纹倾向的合金。目前工业中使用的大多数关键工程合金，如高强度铝合金和γ强化镍基高温合金，都在努力寻找通过LPBF实现无裂纹生产的途径。此外，开裂问题还缩小了那些已知易于焊接的合金的无裂纹工艺窗口。例如，工业生产中通常不可避免的工艺参数、合金粉末特性或结构复杂性的波动，也可能在可焊接合金的打印过程中引起微裂纹。消除这种微裂纹将显著促进LPBF的工程应用。

他们对LPBF开裂缺陷的理解主要继承了铸造和焊接的知识，但也具有独特的特点。基于分形表征，研究界将观察到的块状裂纹分为热裂纹和延展性倾裂（DDC）。图1a显示了LPBF中的裂纹模式示意图。热裂纹，又可分为凝固裂纹和液化裂纹，是指在固相线温度Ts的温度范围内形成的微裂纹，其中金属是相干的但易碎的。凝固开裂发生在凝固的最后阶段，称为脆性温度范围（BTR），大多数工程合金的液体分数上限约为10 vol.%。这种半固体材料具有低渗透性（表明液体进料困难）、低强度（与非广泛的晶间固体桥接有关）和低延展性（图 1b）。热裂纹通过破坏暴露于热应力的薄液膜而成核、聚结和传播。同样，热影响区（HAZ）的液化开裂是由晶界处的低熔点相重熔产生的液态薄膜热撕裂引起的。与热裂性相比，热裂性总是涉及暴露在热应力下的液相，DDC在延展性-倾角温度范围（DTR）下通过沿晶界的蠕变状机制发生，因为延展性耗尽。这种裂纹通常表现出尖锐的扭结，可能是由于裂纹成核为热裂纹的扩展所致。

           

在这里，他们开发了一种液体诱导愈合（LIH）工艺，可以修复印刷金属部件中的开裂缺陷。根据三种开裂模式，裂纹通常发生在晶界区域，在那里它最后凝固，因此在重熔时首先熔化。如图2所示，LIH包括三个步骤：

（I.）在真空下将组件加热到BTR，以便在晶界处发生微重熔，重熔液体回填裂纹。

（II.）一旦材料部分熔化（< 10 vol.%）回到 LPBF 期间开始产生裂纹的近似状态，施加不超过 5 MPa 的等静压。

（III.）在等静压下以受控速率冷却组件，以抑制潜在的二次开裂和收缩孔隙率。

在目前的工作中，通过明确重熔温度（即重熔液馏分）和等静压的控制机理来确定LIH的加工窗口。分析了LIH对微裂纹的消除和机械性能的增强，表明LIH在裂纹愈合效果、操作复杂性和适用性方面具有优势，特别是与HIP工艺相比。

           

IN738LC 和Haynes 230 合金的 LPBF  IN738LC镍基高温合金作为LPBF加工的典型不可焊接合金，是他们方法的优良示范材料。此外，还采用了Haynes 230合金来证明LIH工艺的适用性。两种粉末材料均购自Avimetal Co.， Ltd.，化学成分见表1。两种合金的激光粉末床熔合是在配备 700 W 连续波 IPG 光纤激光器的 SLM Solutions 280 机器上进行的。他们通过控制扫描速度和激光功率，生产了IN738LC个具有不同裂纹严重程度的样品。制备了不同尺寸规格的块状样品，如图3所示，用于研究LIH工艺参数和力学测试。打印 Haynes 230 合金的关键工艺参数，包括激光功率、扫描速度和扫描间距，分别设定为 220 W、1000 mm/s 和 120 μm。

           

           

LIH 和 HIP后处理  LIH实验在专门开发的设备（LIH-1400-10）上进行，能够在最高温度1400°C和最大等静压10MPa下进行LIH处理（图S1）。温度和压力控制精度分别为±1 °C 和±0.1 MPa。LIH处理流程描述如下：（1）将样品置于密封室中;（2）充入高纯氩气（99.999 %）后，将腔室抽真空至0.1 Pa，重复此循环3次，以降低氧浓度;（3）将样品以10°C/min的速率加热至目标温度，然后浸泡5 min，以保证温度均匀性;（4）将压缩的氩气直接送入腔室，以0.5MPa/min的恒定速率达到目标压力，相当于应变速率为5×10−3 s − 1在微重熔状态下的压缩试验中，证明不会引起任何温度波动;（5）样品以2°C/min的速率冷却至完全固化，然后以∼30°C/min的速率冷却至室温。以不施加等静压的LIH处理为参考实验，揭示了液组分对裂纹回填的影响以及压力对凝固过程中进料过程的影响。

在AIP10–30H设备（AMERICAN ISOSTATIC PRESSES， INC.）上对IN738LC合金进行传统的热等静压（HIP）进行比较研究。样品以10°C/min的升温速率加热至1190°C，然后在150 MPa下浸泡3小时，然后进行炉内冷却。

通过LIH修复裂缝图4a显示了LIH过程中裂纹愈合的原位观察。当试样被重新加热以超过固相线温度时，晶界逐渐熔化，形成相互连接的液膜回填裂纹。在此阶段，试样处于致密的半固态。然后，液膜在随后的冷却过程中凝固，显示出在微米尺度上焊接这些裂纹的功效。LIH应用于印刷IN738LC，初始裂纹为0.89 vol.%。将试样重新加热至1290°C，以诱导约9.1vol.%的粒间液体。该阶段的真空条件确保了表面连接裂缝的回填。然后将压缩的氩气输送到加热室中，以提供 1 MPa 的等静压。最后将试样以2°C/min的速度冷却直至完全凝固。图4b显示了基于Micro-CT数据计算的孔隙率缺陷的体积和球形度。研究表明，由于体积大、球形度低，印刷IN738LC中的孔隙率主要以裂纹的形式存在。所有的裂缝都被治愈了，即使是体积为1.66 × 10 ⁶μm ³的最大裂缝也是如此，LIH处理后只剩下几个微孔。图4c说明了LIH处理后裂纹空间分布的演变和试样相对密度的增加，表明这种简单的方法可以非常有效地修复微裂纹，包括表面连接的微裂纹。

           

LIH中的液体控制 液体体积分数控制是LIH的关键参数之一。图5a显示了不同加热速率下印刷IN738LC的吸热曲线。由于元素在重熔前的扩散缓和，增加的加热速率将略微加速熔化过程。因此，为了精确控制LIH过程中的液体馏分，确定重熔曲线的加热速率（即液体馏分与温度的关系）需要与LIH中的加热速率一致。在10°C/min的加热速率下，印刷IN738LC的吸热曲线和相应的熔化曲线如图5b所示。LIH的微重熔间隔是根据合金的BTR定义的，确保材料已经部分重熔回LPBF期间开始凝固裂纹的状态。他们在不施加等静压的情况下进行LIH实验，以确定与初始裂解水平相对应的最佳重熔温度（或液体组分）（图5c）。基于裂纹通过重熔液体的体积膨胀回填的假设，在确定最佳温度时，重熔引起的体积膨胀应与初始裂纹体积相同，确保组分的体积不会因重熔而膨胀。因此，可以进一步从理论上推导裂纹体积与最佳重熔温度（即液体分数）之间的关系。图5d比较了不同初始裂解水平下最适温度的理论预测和实验结果，证实了重熔液的体积膨胀促进了裂纹的回填。更具体地说，在重熔不充分的情况下，重熔液引起的体积膨胀不足以彻底回填这些裂缝，从而导致残余裂纹。相反，过度的重熔会导致完全回填，但会引起体积膨胀，从而增加后续凝固中收缩孔隙的风险（图 S2-补充图）。

           

LIH中的等静压控制  施加等静压是LIH成功的另一个关键因素。由于发生重熔，在随后的凝固中不可避免地会产生收缩孔隙，而无需采取任何主动的进料措施（图 S3）。为了应对这一挑战，他们在微重熔状态下对材料施加等静压。微重熔材料在压应力下表现为弹性粘塑性响应，预计将被体积压缩以补偿凝固收缩。他们对微重熔IN738LC进行单轴压缩试验，以粗略识别应力-应变响应。如图6a所示，压缩曲线在应变范围内表现出弹性变化，最高可达约1%，并且随着应变的增加而表现出各向异性。LIH所需的最小压力取决于相应的应变是否超过凝固收缩率。为了模拟LIH过程中材料在等静压下的变形，在1 MPa的恒定应力下进行连续冷却的压缩。应变大于凝固从1290°C开始的线性收缩（f液= 9.1 vol.%），表明在1 MPa应力下的应变足以补偿凝固收缩，从而抑制潜在的孔隙率（图6b）。初始裂纹为 0.889 vol.% 的打印样品由 LIH 以 1 MPa 的等静压处理。如图6c所示，所有裂缝均已愈合，而不会产生收缩孔隙。相比之下，在相同的工艺参数下，除了施加等静压外，LIH处理后在相同初始开裂水平的材料上仍有约0.3 vol.%的收缩孔隙率（图S2d）。

           

应该强调的是，尽管 LIH 和 HIP 在高温下共同使用等静压，但它们的潜在机制是不同的。HIP的裂纹闭合机制依赖于微米级的塑性变形和随后的扩散。因此，它需要极高的压力和延长的浸泡时间，并且无法治愈表面连接的缺陷。相反，LIH的裂纹愈合机制涉及晶间液体的瞬时回填，等静压用于防止液膜凝固过程中的潜在孔隙。因此，所需的压力很小，表面连接的缺陷也可以得到有效修复。

此外，他们比较了LIH和传统HIP在裂缝愈合方面的性能，如图7所示。对于初始裂纹约为 1.4 vol.% 的样品，仅通过施加 HIP 闭合那些独立于表面通道的裂纹（例如，标记的裂纹（1）-（8））。然而，由于这些裂纹内部的压力极高（例如，标记的裂纹（9）-（12）），HIP 也可能导致裂纹扩展。在HIP后处理后，用LIH进一步处理样品。通过应用这种方法，可以显著消除残余裂纹。必须指出的是，LIH处理并没有完全愈合裂纹，因为HIP状态样品的重熔曲线与打印状态相比发生了变化，导致重熔液体不足以充分回填裂纹。（例如，标记的裂缝（13）-（16））。结果表明，LIH在修复表面连接裂缝和等静压要求方面具有优势。

           

结构完整性和微观结构演化  在后处理中引入液相可能会破坏打印部件的结构完整性，因为在微重熔状态下强度会降低。为了评估LIH期间的结构完整性，其中液体部分始终限制在10 vol.%，对具有代表性复杂结构的涡轮叶轮进行了LIH处理，说明了对裂纹愈合（图8 a）和结构变形（图8b）的直觉评估。建议LIH在畸变控制方面适用于高度复杂的结构。此外，分别分析了平行于和垂直于建筑方向的表面粗糙度的变化。如图8（c，d）所示，LIH后在两个方向上都略有下降，而不是增加粗糙度。这可能归因于重熔的液体在表面上扩散并抹去了材料沉积的痕迹。

           

通过在同一场中应用电子背散射衍射（EBSD）分析来研究LIH过程中的微观结构演变（图9a）。除了这些裂纹的愈合外，柱状晶粒还经历了戏剧性的等轴转变（图S4a）和轻微的粗化（图S4b）。此外，高角度晶界的比例增加（图S4c），晶体取向随着随机分布值的最大倍数从7.34减小到2.52而变化（图S4d）。与半固态等温热处理工艺类似，晶粒形貌、尺寸和取向演变是由重熔前的再结晶和微熔态期间的奥斯特瓦尔德成熟引起的。XRD结果表明，LIH没有产生额外的相（图S5）。首先通过晶体取向分析确认了打印和LIH处理样品的晶界（图S6）。然后，进行EDS映射以确定晶界附近的元素分布。可以观察到，在印刷状态下存在轻微的微偏析。具体来说，Ti、Ta和Nb等元素的丰度更高，而Co、W和Cr等元素在晶界处相对较少（图9b）。然而，在LIH处理后，Al和Ti在晶粒内偏析，而Mo和Cr在晶界偏析（图9c）。Mo和Cr是正偏析元素，在LIH过程中，晶间液体最终会以相对较低的凝固速率在晶间液体的边界处富集。与固析不同，在LIH处理的炉冷条件下，γ'-Ni3（Al，Ti）相会从γ相析出，其中一些会迅速长大，发展成细维和粗维的γ'。γ'的SEM图像也证实了这种固-固相变相（图S7）。通过在IN738LC合金的标准热处理（SHT）程序之前引入LIH，初级γ相的析出物显示出从不规则球形到立方度的形态变化的证据（图S7）。LIH凝固后的冷却速率远低于印刷过程中的冷却速率，使初级γ相在随后的固溶和沉淀硬化热处理中成长为八位字节的立方体，并进一步演变为长方体结构，与传统铸造类似。结果表明，LIH还可以提供控制LPBF部分沉淀物特性的途径。通过热处理操作可以进一步提高机械性能。

           

增强的机械性能  进行机械性能测试，并将结果与等效试样进行比较，以验证通过应用LIH增强的性能。所有试样均经过IN738LC SHT程序，荷载方向垂直于建筑方向。打印的样品在屈服前具有约1.2 vol.%的初始裂纹分数断裂（图10a）。相比之下，在SHT之前进行LIH处理的材料在拉伸性能上表现出显着提高，超过了其铸造对应物和经过HIP处理的印刷部件的性能（图10b）。此外，他们还展示了在不施加等静压的情况下，LIH后高温强度的增强，其中裂纹有望愈合，但会引起少量收缩（图S8a）。断裂面呈现出不同的形态（图S8b–g），如脆性断裂伴解理面（无LIH）、韧性断裂伴小凹痕（LIH @ 1 MPa）和裂解面与小凹痕混合的断裂面（LIH @真空），表明断裂机理与延性变化一致。在850°C下以1%的恒定应变进行应力松弛试验的结果如图10c所示。LIH增强的样品的弛豫行为与铸件相当，远高于HIP处理的打印样品。蠕变试验证实了应力松弛结果的趋势（图10d）。这是由于晶粒的大小和取向以及γ相的大小和形态的差异。由于LIH过程中发生了微重熔和凝固，因此材料经历了类似于铸造工艺的晶粒和析出物的特征演变，即较粗的晶粒和立方体沉淀物，从而产生更好的蠕变性能。

           

LIH的适用性为了进一步验证LIH的适用性，他们将这种后处理应用于LPBF生产的Haynes 230镍基合金。如图11所示，从重熔过程中测得的吸热数据中得出了打印合金的重熔温度-液级分关系。根据打印缺陷的体积分数，他们估计了LIH处理的加工温度（即重熔液分数）和等静压。比较样品LIH处理前后缺陷的空间分布，可以看出微裂纹几乎完全愈合，表明LIH工艺的适用性。

           

本文展示了一种简单的后处理方法，该方法可以修复LPBF增材制造中的微裂纹。通过明确重熔温度和等静压的控制机理，构建了LIH处理的工艺窗口。晶界重熔引起的体积膨胀促进了液相回填。在晶间液膜凝固之前，可以通过施加轻微的等静压来抑制收缩孔隙率。LIH处理后的拉伸性能与HIP状态相当，但其高温蠕变性能远高于HIP状态，与铸造状态相当。

与目前在工业领域广泛应用的HIP工艺相比，LIH可以修复表面连接的裂纹，避免额外的表面加工，释放加工复杂部件的潜力。此外，LIH所需的等静压通常小于HIP的二十分之一，大大简化了设备建设，降低了工艺成本，更容易满足与增材制造相匹配的应用需求。由于工艺成本和操作复杂性与传统热处理相当，LIH预计将成为与金属增材制造相结合的常规致密化后处理。应用LIH意味着在制造过程中无需纠结于完全无裂纹的部件，这将立即促进不可焊接合金在增材制造中的商业应用。LIH也可以扩展到处理铸件中的裂纹和收缩孔隙率，因为其机制与LPBF中的裂纹问题相似。    

来源：增材制造硕博联盟