來源： 增材制造技術(shù)前沿
鎳基高溫合金在制造需要承受極端環(huán)境和熱應(yīng)力的產(chǎn)品中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用们萄。其中，主要由Ni3(Al, Ti)組成的γ′相是鎳基高溫合金的關(guān)鍵強(qiáng)化相孩等。因此蝶映，Al和Ti的比例對于實(shí)現(xiàn)高含量的γ′相和優(yōu)異性能至關(guān)重要沉迹。然而弊仪，高含量的γ′相會(huì)導(dǎo)致可打印性能下降汰寓，并在3D打印過程中形成凝固裂紋黄鳍。特別地柠横，Al + Ti含量超過6wt%的鎳基高溫合金被認(rèn)為是不可焊接的窃款。因此，研究人員正付出大量努力牍氛，通過3D打印生產(chǎn)無缺陷的高Al和高Ti鎳基高溫合金晨继。
例如，通過降低制造過程中的溫度梯度來減輕鎳基高溫合金的內(nèi)部應(yīng)力搬俊，從而緩解其開裂傾向紊扬。同時(shí)，通過調(diào)整化學(xué)成分或引入第二相粒子唉擂，合金設(shè)計(jì)被證明能夠最小化開裂敏感性餐屎。調(diào)整微量元素如B、C玩祟、Zr可以增強(qiáng)合金的機(jī)械性能腹缩，但它們也可能在3D打印過程中引發(fā)熱裂紋。
眾所周知空扎，添加微量稀土元素可以顯著改善合金的機(jī)械性能藏鹊。增材制造技術(shù)前沿注意到，來自中南大學(xué)的研究人員近日發(fā)表了題為“Synchronously enhanced printability and properties of additively manufactured nickel-based superalloys via alloying minor Sc”的文章碎师，在不改變主要元素仅莲、不增加合金制造成本的情況下，通過添加微量稀土元素Sc來抑制不可焊接鎳基高溫合金在增材制造過程中的開裂問題批贴。
https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.03.087本研究采用了含有7wt% Al + Ti辉茴、13% Co、12% Cr用噪、4% Mo女骗、4% W、4% Ta以及≤0.3%的C+B+Zr+Hf組合的13Co鎳基超合金材料誓籽。通過添加約0.01%的Sc卤诗，制備了13Co + Sc合金變體。采用霧化法制備了粒徑范圍為10-63 μm的35Co和13Co + Sc粉末凸脚，并進(jìn)行了篩分事晶，采用SLM技術(shù)成功制備了無需后續(xù)熱處理的試樣。研究發(fā)現(xiàn)裂更，13Co合金中存在許多裂紋和孔隙峰裁，大部分與建造方向平行夏哭，其中一些裂紋長達(dá)數(shù)百微米。相比之下献联，13Co + Sc合金中的裂紋較少且較短竖配，只觀察到微小裂紋和球形孔隙。13Co和13Co + Sc合金的密度分別為98.5%和99.4%里逆。EBSD分析表明进胯，與13Co合金相比，13Co + Sc合金的平均晶粒尺寸更小原押。此外胁镐，13Co + Sc合金顯示出明顯的柱狀晶粒定向生長，長度可達(dá)300–500 μm诸衔《⑵織構(gòu)強(qiáng)度分析顯示，13Co + Sc合金的擇優(yōu)生長方向更為顯著笨农，其織構(gòu)最大強(qiáng)度為15.45就缆，而13Co合金的織構(gòu)強(qiáng)度僅為5.74，表明13Co合金的晶粒生長方向更為隨機(jī)谒亦。這些差異歸因于Sc元素的添加资担，它細(xì)化了晶粒并增強(qiáng)了合金承受熱應(yīng)力和凝固收縮的能力，盡管兩種合金的激光加工條件相同炬费。a.光學(xué)顯微鏡圖像踱孕；b.打印合金的裂紋密度、孔隙率和相對密度咪朴；c).13Co合金和13Co+Sc合金的XRD圖譜庙曹； (d1) 13Co 和 (d2) 13Co + Sc 的 EBSD 圖像师赂；(e1) XZ 平面和 (e2) XY 平面的晶粒尺寸分布蘑瓢；分別為打印態(tài)13Co 和13Co + Sc 在 XZ 平面的極圖
盡管兩種合金都含有類似類型的白色納米析出物，但它們的內(nèi)部形態(tài)卻有所不同镶悟，這很可能是由于添加了Sc元素梦铭。在鎳基超合金中添加Sc會(huì)導(dǎo)致形成新的Al3Sc析出相，該析出相與Ni基體之間形成一致界面辙哪。這有助于異質(zhì)形核垦祭，促進(jìn)晶粒細(xì)化，并使碳化物和硼化物在晶界上分布更為均勻沽澜。此外籍胯，Sc還有助于緩解B和C等元素在晶界的濃度，從而減少熱應(yīng)力的累積离福，并在一定程度上防止裂紋的形成杖狼。這些效應(yīng)共同增強(qiáng)了13Co + Sc合金的機(jī)械性能和微觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性炼蛤。a.13Co和13Co+Sc合金在環(huán)境溫度下的拉伸性能；b,c.13Co合金和(d,e)13Co+Sc合金的斷裂形貌
13Co合金的屈服強(qiáng)度為756 MPa蝶涩，拉伸強(qiáng)度為846 MPa理朋，延伸率為6.3%。相比之下绿聘，13Co + Sc 合金表現(xiàn)出更好的性能嗽上，屈服強(qiáng)度為906 MPa，拉伸強(qiáng)度為1036 MPa熄攘，延伸率為 8.9%兽愤。這意味著與13Co合金相比，13Co+Sc合金的屈服強(qiáng)度增加了約19.8%鲜屏，拉伸強(qiáng)度增加了22.5%烹看，伸長率增加了41.3%，凸顯了Sc 添加對機(jī)械性能的有益影響洛史。對13Co合金的拉伸斷口分析顯示郭宪，存在許多裂紋和較大的開口，裂紋往往沿枝晶路徑擴(kuò)展枕详，這是由于凝固問題所致息扶。相比之下，13Co + Sc合金內(nèi)部裂紋較少弹扩，并顯示出穿晶斷裂面纫脚，同時(shí)存在許多凹坑，這表明合金具有較高的塑性眶逐。這一現(xiàn)象歸因于13Co + Sc合金內(nèi)部裂紋較少况颈，以及晶間結(jié)合力更強(qiáng)。這些特點(diǎn)使得13Co + Sc合金在受力時(shí)能夠更好地抵抗裂紋擴(kuò)展洗吉，從而提高其整體力學(xué)性能勾奇。總的來說，本文研究了Sc對增材制造鎳基超合金微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響蔼魁。結(jié)果表明摆野，Sc促進(jìn)了晶粒細(xì)化，并使碳化物和硼化物等低熔點(diǎn)相在晶界上的分布更加均勻凛驮，減少了熱應(yīng)力的積累裆站，抑制了裂紋的形成，從而提高了增材制造超合金的可打印性和性能黔夭。這些發(fā)現(xiàn)為優(yōu)化鎳基超合金的增材制造工藝和提高其實(shí)際應(yīng)用性能提供了重要的理論依據(jù)宏胯。
