北京工業(yè)大學(xué)張冬云教授：LPBF金屬3D打印Inconel718合金組織和力學(xué)性能調(diào)控研究

2020年8月20日-21日，中國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展蕪湖（繁昌）高峰論壇暨2020年中國增材制造產(chǎn)業(yè)年會在安徽蕪湖市舉行，此次年會由工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)發(fā)展中心、安徽省經(jīng)濟和信息化廳、蕪湖市人民政府指導(dǎo)，中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟主辦，繁昌縣人民政府協(xié)辦，南極熊作為支持媒體對本次會議進行了直播。

△北京工業(yè)大學(xué)3D打印工程技術(shù)中心的張冬云教授

在“產(chǎn)業(yè)化推廣論壇”上，北京工業(yè)大學(xué)3D打印工程技術(shù)中心的張冬云教授做了《LPBF成形Inconel718合金組織和力學(xué)性能調(diào)控研究》演講，下面是現(xiàn)場速記。

張冬云：尊敬的各位領(lǐng)導(dǎo)、各位嘉賓你們好，我是張冬云，來自北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院3D打印中心。我今天報告的內(nèi)容是LPBF成形Inconel718合金組織和力學(xué)性能調(diào)控研究。

LPBF實際上就是激光選區(qū)熔化，這是德國相應(yīng)機構(gòu)給SLM的最新定義，中文直譯為激光粉末床熔融，與原來的激光選區(qū)熔化意思相近，只不過換了一種說法。

我的報告內(nèi)容分以下幾個方面：首先是研究背景和意義：

Inconel718合金是典型的時效強化型鎳鐵基高溫合金，主要強化項是和相。由于在中高溫工作區(qū)間具有較強的高溫強度、抗氧化性能、抗腐蝕性能，所以一般用作發(fā)動機的熱端件。傳統(tǒng)熱端件的制造方法有鑄造、粉末冶金和鍛造等，這些傳統(tǒng)制造方法制造的零件不可避免的存在疏松、孔洞、或者整個生產(chǎn)流程長，周期長，新產(chǎn)品開發(fā)需要的周期長等劣勢。而熱端件性能一般要求比較高，所以世界各國的科學(xué)家和工程師不斷探討用各種方法生產(chǎn)高性能、形狀復(fù)雜的高溫鎳基合金熱端件，增材制造的崛起為這個想法提供了可能性。

我們知道激光選區(qū)熔化用于制造復(fù)雜零件具有很大的優(yōu)勢，與先進的設(shè)計方法結(jié)合，能突破一些傳統(tǒng)的制造局限，所以用來制造一些航空航天、醫(yī)療器械、以及汽車等其他工業(yè)領(lǐng)域的零部件。

昨天的報告估計在座很多人都聽過，有幾位專家介紹過，Inconel718合金或者高溫鎳基在航空航天的發(fā)動機零件上有很多應(yīng)用，比如NASA為下一代火箭發(fā)動機全新設(shè)計的滲透式的冷卻系統(tǒng)，這個結(jié)構(gòu)是一層一層的傳播熱量，起到有效地傳遞熱量的功能，同時這種設(shè)計也達到減重的目的。Materialize公司開發(fā)了氣流冷卻器，這種鰭狀設(shè)計和網(wǎng)格結(jié)構(gòu)相結(jié)合提高了冷卻速度，也達到減重目的，所以在航空航天的發(fā)動機熱端件中高溫鎳基合金起到不可輕視的作用。像西門子公司的工業(yè)燃氣機葉片，它們的工作溫度高達1250°C，隨后通過400°空氣冷卻，這個工作條件是非�？量痰�，但是西門子公司采用全新的內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計使得設(shè)計到測試的時間從2年降低到2個月。再例如德國的MAN Diesel&Turbo公司，這家公司是德國柴油發(fā)動機和渦輪機的主要提供商，他們也采用3D打印來做導(dǎo)向葉片，這些葉片成功通過測試。從而縮短了研發(fā)周期，另外也使這個產(chǎn)品的供應(yīng)鏈發(fā)生改變。傳統(tǒng)供應(yīng)鏈必須要有庫存，但是現(xiàn)在只要有數(shù)字模型就可以了，數(shù)字模型意味著能夠快速打印，能夠快速供貨，所以3D打印技術(shù)使產(chǎn)品供應(yīng)鏈都在發(fā)生改變。德國航天中心DLR開發(fā)了液體火箭發(fā)動機噴射器，這個零件從外形看就是一個柱狀零件，但是內(nèi)部結(jié)構(gòu)相當復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)包含多層的冷卻劑、不同的燃燒通道，非常復(fù)雜。所有上面的實例都說明發(fā)動機的熱端件都非常重要，我們在不斷通過設(shè)計、制造完成新一代產(chǎn)品開發(fā)，把它的性能提高、重量減輕，從而進一步提高發(fā)動機的推重比。

我們知道，熱端件的服役環(huán)境非常苛刻，服役溫度較高，高溫環(huán)境中合金強度下降，晶界強度降低，長期受力部件還會發(fā)生高溫持久變形。而鎳基高溫合金具有多種強化相，因為對熱加工敏感，溫度有一些變化各種強化相就會發(fā)生變化，這樣就會影響材料、部件的常溫力學(xué)性能或者高溫力學(xué)性能。所以很多的研究都在進行激光選區(qū)熔化成形Inconel718合金性能調(diào)控的研究，從而使它滿足航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。

接下來就講一下我們在激光選區(qū)熔化成形Inconel718合金性能調(diào)控領(lǐng)域所做的研究：

我們所用的材料就是氣霧化粉末，設(shè)備是EOSM280，這是成形參數(shù)。按照傳統(tǒng)的加工工藝，鑄造或者鍛壓零件可以在航天手冊上查到具體的熱處理工藝，三選一，選則合適的一個就可以滿足航空航天零部件性能的要求。但是現(xiàn)在我們擁有的是激光選區(qū)熔化成形的零部件，那么激光選區(qū)熔化和鑄造工藝主要不同就是加工過程中熔池的冷卻速度相當快，我們對上述兩種加工工藝進行了熔池熱動態(tài)模擬研究，發(fā)現(xiàn)鑄態(tài)的液態(tài)金屬冷卻速度比較慢，比SLM的熔池金屬低三個數(shù)量級；鑄態(tài)金屬的溫度梯度為 。因此鑄態(tài)金屬具有粗大的樹枝晶結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸達到200微米左右，且存在嚴重的宏觀偏析；而 SLM顯微組織非常細小，垂直于成形方向上晶粒尺寸在30-40微米之間，僅存在一定程度的微觀偏析。

二者微觀組織的差異究其根源還是激光選區(qū)熔化成形過程中熔池金屬凝固速度極快，抑制了強化相的析出，材料內(nèi)部強化相較少，且存在少量的脆性Laves相。另外激光選區(qū)熔化的熔池金屬凝固速度特別快，生成的零件內(nèi)部積累了大量的殘余應(yīng)力，這與鑄造的情況是不一樣的。原來鑄造、鍛壓零部件根據(jù)熱處理方案直接進行熱處理即可，對于SLM成形的Inconel718合金，需要根據(jù)原始組織選擇一個合適的熱處理方案去調(diào)控，讓它具有優(yōu)異的力學(xué)性能。我們的熱處理方案選了三種：一個是固溶溫度1080°C，一個是980°C，另外一個是1080+980°C的方案。這三種方案執(zhí)行后組織和性能是什么樣子？

接下來我們講第三部分，熱處理對組織和常溫力學(xué)性能的影響：

激光選區(qū)熔化成形的Inconel718合金經(jīng)過980°C的熱處理之后，我們發(fā)現(xiàn)熔池的形貌還存在，說明沒有發(fā)生再結(jié)晶；1080°C熱處理和1080+980°C熱處理后，整個熔池和激光掃描痕跡不見了，這說明發(fā)生了完全再結(jié)晶，以上為宏觀組織情況。微觀組織觀察顯示，980°C熱處理之后，晶粒非常細小，晶粒內(nèi)部有大量的呈十字交錯分布的δ相，1080°C熱處理之后晶內(nèi)和晶界很少有δ相析出，1080+980°C在晶界上有連續(xù)的、粒狀和短棒狀的δ相析出，但是晶內(nèi)析出細小彌散的強化相。我們可以預(yù)測這個1080+980°C熱處理組織具有非常好的力學(xué)性能。隨后常溫力學(xué)性能測試結(jié)果也顯示1080+980°C熱處理后Inconel718合金獲得的性能最優(yōu)異。同時我們看到1080°C熱處理后材料的性能也比較高，但是我為什么沒有說他的綜合性能優(yōu)越呢？請繼續(xù)聆聽我的報告內(nèi)容。

首先看成形態(tài)的Inconel718合金性能和鍛件相比，強度比較低，延伸率特別高，這是因為SLM的加工過程具有特別快的冷卻速度，抑制了強化相的析出，基體組織強度比較弱，但細小的晶粒顯著地提高了延伸率。980°C的熱處理，我們從XRD的結(jié)果發(fā)現(xiàn)有大量的δ相析出，消耗了基體組織中的Nb元素，從而間接造成合金強化相 減少，從而造成980°C熱處理后材料的強度比較低。我們知道δ相溶解溫度在980-1020°C之間，析出溫度780-980°C之間，所以1080°C熱處理后合金中的δ相幾乎不可見。1080+980°C熱處理后，材料的綜合性能比較好，但是在XRD測試中納米尺寸碳化物不可見。

隨后我們對斷裂后的試樣沿著拉伸方向進行TEM分析，分析顯示，1080°C度熱處理之后，彌散的強化性阻礙了位錯運動；980°C熱處理后晶界與晶內(nèi)的δ相釘扎位錯，阻礙位錯的運動；1080+980°C是晶內(nèi)強化相與晶界δ相同時阻礙位錯運動。這就印證了前面所說的組織和性能分析。

第四部分，熱處理對SLM成形的Inconel718合金高溫力學(xué)性能的影響：

高溫力學(xué)性能測試顯示，1080+980°C熱處理樣件的高溫持久性能最好，這是因為內(nèi)部有大量的強化相，晶界上又有適量的δ相析出。高溫拉伸性能也是1080+980°C的情況最好，其高溫拉伸強度和韌性都非常優(yōu)越。我們隨后對斷裂樣件進行了SEM分析。分析發(fā)現(xiàn)，1080°C熱處理組織中沒有δ相，所以它在高溫拉伸過程中先失效。980°C熱處理后基體組織中有很多的δ相，對基體起到割裂作用，所以它的強度也比較低。1080+980°C熱處理后適量的δ相析出強化了晶界，整體的力學(xué)性能非常優(yōu)異。

我們對斷裂后的試樣沿著拉伸方向進行TEM分析，分析顯示，1080°C熱處理后晶界處發(fā)生位錯塞積和少量δ相，有孿晶結(jié)構(gòu)，還有碳化物強化相。980°C熱處理后晶內(nèi)的δ相阻礙位錯運動，晶界處發(fā)生位錯塞積現(xiàn)象，有少量的孿晶結(jié)構(gòu)。1080+980°C熱處理后晶界處δ相附近位錯塞積，有亞晶結(jié)構(gòu)，也有孿晶結(jié)構(gòu)。這些檢測結(jié)果進一步證實，通過這樣的優(yōu)化，1080°C均勻化處理再加980°C固溶處理再加雙時效的熱處理方案，使得SLM成形的Inconel718合金獲得最優(yōu)的高溫力學(xué)性能和室溫力學(xué)性能，性能超過鍛件標準。

我的報告到此結(jié)束，感謝聆聽。