橡樹嶺國家實驗室增材頂刊：增材制造鎳基單晶高溫合金！��！

來源：材料學網

導讀：增材制造技術已經成為潛在的顛覆性技術，其可能影響的范圍包括供應鏈物流、原型制作和新型材料合成。許多工作說明了在基于融合的過程中控制微觀結構的能力，最近一些作者甚至制出單晶。然而，關于使單晶打印成為可能的工藝窗口，仍有許多問題有待解決。在這項工作中，我們研究了制造條件，通過電子束熔化打印單晶體。獲得的單晶成功地用于商業(yè)粉末和定制熔體合金。通過這些探索實驗獲得的微觀結構顯示出種連續(xù)柱狀結構，從弱織構的多晶，近單晶到完全單晶材料。晶粒選擇機制獨立于體尺度，必須由局部傳熱和凝固動力學驅動。此外，晶粒選擇受到競爭驅動力的驅動；一種傾向于外延生長，另一種是由強加的加工條件驅動的。

在20世紀60年代末和70年代初，Versnyder和同事Pratt& Whitney開發(fā)了定向凝固和單晶鑄造技術。這一技術對燃氣輪機的性能產生了深遠的影響，因為晶界的最小化和最終的消失極大地提高了熱截面回轉部件的耐高溫蠕變性能。這是新型制造工藝顯著提高材料性能的一個典型案例。增強的材料性能容量推動發(fā)動機向更熱的工作溫度前進，從而提高了整體效率。隨后進行了大量的研究來完善這些鑄造方法，重點是將缺陷最小化以提高制造率，工藝特定的合金設計，以及枝晶結構的優(yōu)化。

在過去的二十年中，增材制造（AM）工藝獲得了大量的工業(yè)試驗興趣。一些能源、生物醫(yī)學和航空航天制造商已經開始在產品中使用AM制造的組件。眾所周知，AM可以制造傳統(tǒng)方法無法制造的復雜幾何形狀。此外，這種靈活性補充了新興的設計工具，如拓撲優(yōu)化。這些技術，特別是基于激光或電子束熔化（EBM）的熔化過程，也提供了精確的微觀結構空間控制的能力。這種能力在高性能組件的優(yōu)化中提供了無與倫比的靈活性。然而，隨著設計、材料合成和制造過程融合在一起，許多挑戰(zhàn)出現(xiàn)了。

20世紀90年代至21世紀初，人們對鎳基高溫合金單晶的連接進行了深入研究。許多研究確定了可以從單晶（SX）襯底進行外延生長的條件。然而，這些研究中有許多要么集中在組件修復，要么只考慮沉積一層或相對較少的層（< 20）。在2016年首次報道了通過EBM AM制造大型棱柱形幾何SX CMSX-4。同一組的后續(xù)研究表明，這些材料表現(xiàn)出與鑄態(tài)類似物相當?shù)娜渥冃阅�。隨后有大量工作對微觀結構演化進行了進一步研究。在這些研究中，作者觀察到相對于構建方向（BD）的首選<<001>晶體方向，這是典型的面心立方材料。在枝晶固體化過程中，第一枝晶臂和第二枝晶臂傾向于朝向最大熱流的方向。當循譜線掃描通過時，最大的熱梯度在BD區(qū)，第二大熱流方向被認為是垂直于循譜線掃描方向。然而，偏離預期方向45°。此外，次要偏好是非常精確的，幾乎沒有偏差。目前，這種顆粒選擇機制還沒有被很好地理解，而且就我們所知，還不能從鑄造或焊接文獻中立即加以解釋。這些結構似乎是AM特有的。打印具有可控二次取向的SX元件的意義是巨大的。目前這是可能的通過使用種子晶體鑄造，這是昂貴的。此外，上述工作中研究的合金使用昂貴的SX合金。利用EBM從現(xiàn)成的商用合金中制備單晶可以證明，與使用昂貴的SX特殊合金相比，可以顯著節(jié)省成本。

在這項工作中，橡樹嶺國家實驗室的Patxi Fernandez-Zelaia等人提出了通過EBM AM制造SXs的發(fā)現(xiàn)。首先，我們尋求確定可以獲得SXs的處理窗口；我們利用空間填充設計來探索制造空間，并利用定向成像顯微鏡（OIM）空間自相關函數(shù)和模擬來量化“單晶度”。這種量化使得建立數(shù)據(jù)驅動的過程結構模型成為可能。此外，為了研究次偏好的來源，我們使用非傳統(tǒng)的幾何學嘗試進行了一些實驗。這些實驗試圖演繹研究體幾何和掃描策略對未知的晶粒選擇機制的影響。相關研究成果以題“Nickel-based superalloy single crystals fabricated via electron beammelting”發(fā)表在金屬頂刊Acta Materialia上。

相關論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117133

在這項工作中，我們利用實驗設計的方法來探索EBM 499 AM的機械制造條件，以努力獲得不同的鎳基高溫合金單晶。用非SXs合金501生產SXs的能力為行業(yè)節(jié)約了潛在的巨大成本。我們發(fā)現(xiàn)，在一般情況下，較高的能量設置更容易產生單晶。凝固速度和熱梯度是更強的解釋變量。除MarM-247出現(xiàn)嚴重開裂外，其余材料均獲得無裂紋單晶。

圖2 FCC系統(tǒng)的IPF映射圖例。

圖3 Nimonic 105 IPF地圖可視化出平面方向偏好。所有圖像的構建方向都是垂直的。出平面方向平行于直線掃描方向和印刷樣品的立方體面。圖像排序相對于表面能量密度Es。每張圖片為2mm × 2mm。

圖4 Nimonic 105 IPF地圖可視化的構建方向偏好。所有圖像的構建方向都是垂直的。出平面方向平行于直線掃描方向和印刷樣品的立方體面。圖像排序相對于表面能量密度Es。每張圖片為2mm × 2mm。

圖5 由相應的EBSD顯微圖生成的Nimonic 105自相關圖。圖像排序相對于表面能量密度Es。每張圖片為2mm × 2mm。

圖6 兩個明顯不同的微觀圖的空間統(tǒng)計示意圖：單晶與多晶微觀結構。（左）顯微圖中的箭頭表示t的隨機實現(xiàn)。（右）向量t的自相似被編碼到相關圖中的適當像素中。

圖7 Es= 8.50J/mm2的IN738樣品光學顯微圖。單晶芯中不存在裂紋，而在多晶側可以看到明顯的裂紋。

圖8點熱源產生的棱鏡幾何180°線掃描層之間旋轉的IPF圖。BD為垂直方向，Y為水平方向。

圖9 印刷復雜的幾何圖形。每一行的前三幀突出顯示整體幾何圖形（灰色），打印點的前半部分（黑色），以及從左到右依次移動的25個點（紅色）。25:50對應點25到50以下打印一半的橫截面，50:75點50到75等。最左邊的圖中顯示了EBSD顯微圖的位置。IPF地圖顯示在右邊。所有圖形都在XY平面內。

我們的結果表明，至少存在兩種競爭機制，控制通過EBM AM制備的SXs的取向：（1）晶體學上外延生長促進了基片晶體在后續(xù)層中的持續(xù)存在；（2）EBM掃描所施加的偏好，即傾向于垂直于掃描方向的<011>。即使以最不利的方式進行掃描(圖10-11)，在生長過程中底層的沉積也會得到有利的結果。

圖10 示意圖印刷海恩斯282幾何與突然45°在高度45毫米旋轉。掃描線方向與立方體截面保持直線。在旋轉之前和之后顯示了所得到的晶體取向。

圖11 Haynes282樣品的IPF地圖受45°突然旋轉。黑線之間的材料突出了10mm的材料沉積后的突變。黑色代表晶界與錯位> 7.5°。BD在垂直方向。

Nimonic 105顯示出最大的單晶加工窗口。為了研究<011>的異常次偏好，我們對系統(tǒng)進行了一系列的擾動實驗。對提出的兩個復雜幾何形狀的實驗表明，這種偏好主要不是由幾何形狀驅動的，因此，必須歸因于更基本的局部凝固機制。另外進行了一個實驗，在構建中施加造成了不利的突然“扭曲”，類似于在單晶襯底上啟動構建。在形成低角度晶粒邊界的網狀結構之前，該結構以接近單晶的的形式持續(xù)增長了幾毫米。這表明存在兩種相互競爭的機制；一種保持外延生長的驅動力和選擇垂直于線掃描方向的<011>的晶粒選擇機制。

圖12 每種測試材料的物理凝固指標。顯示的顏色表示在每個地圖上計算的平均自相關。數(shù)字接近4表示單晶度高。標記尺寸尺度與Es。

圖13 提出的EBM AM SX凝固機制示意圖。對于適當形狀的熔池，只有<011>首選二次取向相對于焊接熔池的尾部形狀和施加的掃描圖形可能表現(xiàn)出高度對稱的結構。

圖14 有限元分析結果說明了熔池在頂部輻射面上的形狀。右邊是對應每個焊接池的Nimonic 105 IPF地圖。