綜述：鎳基高溫合金的粉末床熔融增材制造研究進展
時間：2022-07-11 09:58 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
導讀：本文旨在回顧兩種主要粉末床熔融（PBF）技術——激光粉末床熔合(LPBF)和電子束熔合(EBM)，在制備鎳基高溫合金的組織和力學性能方面的研究成果。介紹了PBF工藝生產的微觀結構的特點，隨后概述了最常用的打印工藝，以及打印件質量檢測技術。對PBF鎳基高溫合金的抗拉強度、硬度、剪切強度、抗疲勞性能、抗蠕變性能和斷裂韌性等力學性能進行了綜合評價。
航空航天工業代表了增材制造機器生產商的一個重要發展方向，因為大量的部件具有很高的價值，并使用高價值的材料[40]生產。事實上，鎳基航空部件的特點是幾何形狀復雜，產量低。此外，考慮到鎳基高溫合金優異的機械性能，以及設計用于安全關鍵應用的特性，這些零件用傳統加工技術加工是困難和昂貴的[41-44]。因此，必須特別注意工裝、冷卻劑和加工參數的選擇，以免導致生產成本增加[40]。相反，PBF制造復雜幾何形狀的能力允許在組件中加入新的和額外的功能。因此，該領域是展示PBF與鎳基高溫合金結合的潛力的合適方法。
本文中出現的專業名詞解釋
圖1所示。在PBF試件中突出各向異性時常用的構建方向和主平面的布局。注意這個原始方向通常被認為與機器的坐標系統對齊
1.摘要
在過去的二十年里，增材制造中與鎳基合金材料相關的出版物數量急劇增加(見圖2)。
圖2所示。關于鎳基高溫合金增材制造的出版物數量(來自Scopus數據庫)，包括主要里程碑[2-8]。這表明與增材制造中鎳基材料相關的出版物有所增加。
關于金屬的增材制造，特別是粉末層融合(PBF)，前人已經做了很多的研究。迄今為止的文獻綜述提供了金屬增材制造技術的總體概述，重點是加工方法、相應的微觀組織、力學性能及其在各種材料中的應用[3,9-12]。Murr
等人比較了兩種主要的金屬PBF技術，即激光粉末床融合(LPBF)和電子束熔化(EBM)，以及它們對常用結構材料[13]的加工，Korner等人則回顧了EBM技術和金屬材料[14]的工藝性能環節。Song等人回顧了LPBF制造的組件與常規制造的[15]組件在微觀組織和力學性能方面的差異。Sames等人回顧了一系列金屬增材制造技術，重點關注它們的問題和機制，以及創建模型來模擬它們[16]。Basak和Das綜述了常用金屬合金在不同金屬增材制造技術處理下的組織演變。在文獻中，有關于LPBF制造部件一般力學性能的綜述文獻[18-20]。這些研究主要集中在增材制備Ti-6Al-4V組分[21,22]和鎳基高溫合金[23,24]的組織和力學性能。
Wang等人綜述了LPBF制備的Inconel (IN)
718組件，主要關注其組織和力學性能[25]。這可能是與本文所進行的綜述最相似的工作，而本文僅代表了現有文獻中最先進技術的一小部分。Aboulkhair等人對鋁合金[26]進行了全面的綜述。Zhang等綜述了LPBF鈦合金及鈦基復合材料在生物醫學工程中的應用。值得一提的是，也有關于新穎設計[28]和材料系統[29]應用于增材制造的綜述論文。然而，目前對PBF鎳基高溫合金力學性能的研究還沒有一個全面的綜述，這方面的綜述能夠為該領域的學者提供了一個權威和全面的資源。因此，本文的目的是對PBF鎳基高溫合金的力學性能進行全面的綜述。這將為研究人員更好地了解PBF的最新技術和工藝參數對力學性能的影響提供依據。在本綜述的最后，將給出針對不同力學性能所進行的研究的摘要，以幫助實踐者確定已經進行了哪些類別的材料評估，并確定研究中的差距。
最后討論了PBF在鎳基高溫合金加工中的機遇和不足。由于我們對基本冶金和工藝本身的理解發展迅速，因此有必要讓業內有一個可供借鑒的參考點。
1.1 粉末床熔融技術
本文重點介紹了PBF技術的兩種基本原理:LPBF和EBM。PBF是金屬零件加工中最常用的增材制造技術之一。該工藝由兩個階段組成:首先，粉末均勻地分布在工作區域，然后是能源(LPBF的激光和EBM的電子束)根據三維模型選擇性熔化粉末床，從而建立最終組件[30]。這些制造方法的兩個主要區別是它們的電源和電力傳輸系統。圖3[9]展示了典型的LPBF和EBM系統的兩幅圖。
圖3所示。兩種主要粉末床熔合工藝示意圖：(a)激光粉末床聚變。(b)電子束熔化系統。兩個主要的區別(電源和電力傳輸系統)是可見的。[9]
其他研究人員已經對兩種方法和過程的細微差別進行了適當的審查，表1總結了兩種系統之間的相關差異[9,16,30]。這種方法可以用于處理各種材料，從金屬到陶瓷，為許多應用，如航空航天，生物醫學和汽車。對于所有類型增材制造平臺可用材料的廣泛回顧，讀者可以參考Bourell等人對[31]主題的回顧。
表1激光粉末床熔煉與電子束熔煉的主要區別。這提供了對過程特征的洞察[9,16,30]。
1.2. 鎳基高溫合金及其在增材制造中的作用
本節將重點介紹鎳基高溫合金的特點、它們適用于PBF的原因以及它們的應用實例，尤其是在航空航天領域。
1.2.1. 鎳基高溫合金的特性
鎳基高溫合金是現代航空發動機材料家族的一種[34,35]，具有高溫強度、韌性、蠕變和抗氧化/腐蝕的綜合性能。由于這些原因，這類合金被廣泛應用于在臨界環境下工作的部件中。第一代鎳基高溫合金是為噴氣發動機的高溫應用而設計的，包括20世紀40年代由英國HenryWiggin公司開發的Nimonic
75[34]。從那時起，鎳基高溫合金不斷被生產、研究并用于制造渦輪葉片、渦輪盤、密封件、環和燃氣輪機的其他部件。
如今，一個典型的噴氣發動機中含有將近1.8噸鎳基高溫合金。這些材料對將噴氣發動機的連續工作壽命提高到20,000
h[37]以上有很大的貢獻。雖然涂層技術(如氧化鋯基熱障涂層，TBCs)也有助于提高高溫性能，但基底鎳基高溫合金的作用再怎么強調也不為過。圖4顯示了可焊性以及鎳基高溫合金在制造中的應用。這是一個有用的指標，如何挑戰高完整性增材制造將是給定的材料。實際上，流程窗口在破碎的紅線以上大大減少了。
圖4所示。一系列鎳基高溫合金的“可焊性”圖，其Ti和Al合金元素組成的函數。圖來自Catchpole- Smith等人[38]。虛線以上的可焊性較差，隨著Ti和Al含量的增加而惡化。這項工作將為今后合金成分的研究提供參考。
鎳基高溫合金應用于許多領域，如陸基燃氣輪機、核電站和化學容器。表2報告了鎳基高溫合金的一些常見應用。
表2鎳基高溫合金[39]的常用用途。這表明了增材制造的鎳基高溫合金可以應用的眾多領域。
圖5總結了PBF研究中鎳基高溫合金的類型。從這一數據可以清楚地看出，IN718和IN625是PBF研究中探索最多的。它們的組成見附錄中的表8。
圖5所示。餅圖顯示了迄今為止在粉末層聚變研究中研究的鎳基高溫合金，來自290項研究。鉻鎳鐵合金718和鉻鎳鐵合金625是研究最多的合金，因為它們的使用水平主要是在航空航天市場，航空航天有直接的機會。
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