綜述：鎳基高溫合金的粉末床熔融增材制造研究進展(2)
時間：2022-07-11 09:58 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
1.2.2. 航空航天工業用鎳基高溫合金和PBF
Yadroitsev等人的工作證明了LPBF生產由IN625[45]自由結構構成的復雜濾波器的能力。各個單元，甚至是單個單元的參數，都可以在建模階段輕松修改，并針對特征在1毫米以下的具體應用進行優化。(圖6)。這表明增材制造技術具有直接修改部件的能力，而傳統加工方法無法實現。
圖6所示。鉻鎳鐵合金625過濾器，具有特定的孔定向和截面積。這些樣品是通過粉末床融合制造的，展示了粉末床融合制造高度優化的幾何形狀的能力，特征小于1毫米。這是激光粉末床融合技術[45]的一個典型應用。
Bernstein等人進一步證明了這一進展，他們開發并制造了一種渦輪葉片原型，其特征是前緣帶有通過LPBF獲得的內置冷卻通道(圖7)[42]。測量的平均冷卻孔尺寸(0.3945
mm)略小于公稱尺寸(0.5 mm)，這凸顯了LPBF中仍需克服的公差挑戰。這些井眼直徑的標準偏差很小(0.0206
mm)，表明LPBF有潛力作為一種精確有效的技術來產生這些特征部件。不過，盡管該方法取得了一些很好的結果，但仍不能與常用的冷卻孔直接加工方法，如激光加工或電火花加工(EDM)的特征分辨率相比。事實上，Li等人已經證明，通過使用激光或電火花打孔工藝，可以獲得直徑<150
μm的孔。然而，民用飛機的常見工業工藝要求冷卻孔直徑在300-500μm[46]范圍內。這是影響渦輪葉片和導流噴嘴熱力學性能的一個基本技術限制。然而，增材制造對航空航天應用的研究重點迄今為止一直集中在靜態組件上。這背后的原因隨著增材制造材料表現出的力學性能的探索變得明顯，這一主題將在本綜述的后面更詳細地探討。
圖7所示。前緣新型冷卻通道的例子。(a)整體架構。(b)冷卻通道內部結構的CAD模型[42]。平均測量的冷卻孔尺寸(0.39 mm)略小于公稱尺寸(0.5 mm)，這凸顯了激光粉末床熔融仍需克服的公差挑戰。
由于LPBF在實現航空發動機部件的復雜結構方面顯示出了良好的初步效果，越來越多的公司表示有意投資這項技術。Gisario等人綜述了金屬增材制造在商用航空工業中的應用，Yong等人綜述了增材制造
IN718在高溫應用中的材料特性。例如，NASA測試了一些LPBF制造的火箭噴射器，證明這些部件能夠承受太空火箭發射過程中產生的熱量和壓力。MTU航空發動機公司還宣布，他們的PurePower
PW1100G-JM發動機的內窺鏡凸臺現在將使用LPBF[50]生產。此外，荷蘭航空航天中心與特溫特大學共同開發了一種用于空間應用的新型微型泵組件，由無運動部件組成，如液壓閥[51]。由于其復雜的內部特性是其他方法無法獲得的，因此只能使用LPBF制造這種微泵。GE航空在將增材制造引入航空航天行業中發揮了重要作用，特別是通過收購SLMSolutions和Arc增材制造，這兩家主要的增材制造公司分別專注于LPBF和EBM。為了證明這一原理，通用航空公司制造了一個完全使用LPBF[52]的微型噴氣發動機。盡管這款原型機的規模遠遠小于商用發動機，但在功能測試中它的轉速達到了3.3萬轉，標志著LPBF在航空發動機制造中更廣泛地使用邁出了重要的一步。他們還創造了一個只使用LPBF的傳感器外殼，這使它成為第一個3D打印部件被批準使用的FAA
[53]。其他演示材料，如渦輪葉片，使用EBM
IN738LC打印出來，并組裝在一個圓盤上進行旋轉坑測試，以驗證[54]葉片的機械完整性和設計。
綜上所述，增材制造是一種很有前途的鎳基元件制造技術。然而，目前阻礙PBF更大規模開發的知識差距仍然很大。如果不能充分了解增材制造鎳基高溫合金的微觀結構和功能響應，將嚴重限制該技術/材料組合的應用。因此，我們必須對材料和工藝缺陷的起源有一個基本的認識。2. PBF過程控制和質量檢驗
為了有效地將PBF過程轉移到工業中，必須選擇適當和可靠的檢查方法來檢查制造過程和制造質量。本節將討論的一些相關的檢測技術，以供研究人員參考。
2.1. 顯微結構的表征
PBF鎳高溫合金最常用的分析方法包括光學顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)和電子背散射衍射(EBSD)，下面將簡要介紹。上述的這些檢測手段在材料金相實驗室都是較為常見的。為了使用這些方法，需要仔細制備樣品。Zhang等人還撰寫了一篇關于金屬材料制備的綜述，這將有助于鎳基高溫合金和增材制造研究人員制定表征策略。這里強調了這些技術下的主要觀察結果。想要制備出理想的試樣通常需要適當的研磨、拋光和蝕刻。讀者可以參考Zhang等人關于這個主題的綜述[55]以獲得更多信息。
PBF試樣中的孔隙率是研究的一個經典的“首要指標”，盡管ASTM標準建議使用阿基米德原理對PBF材料[56]進行孔隙率測量，但研究界通常使用OM來在x50倍或更小的倍數下觀察這些(圖8)，OM的橫向分辨率約為200nm[57]。如果需要更高的分辨率(更小的孔徑)，則需要使用電子顯微鏡。通常使用圖像分析軟件(如ImageJ)分析標本的橫截面，孔隙度可以被量化，盡管是破壞性的。Perevoshchikov等人證明這些孔隙度值與用阿基米德法[58]得到的孔隙度值相當。針對于較軟的材料，圖像法必須謹慎使用，制樣需要以不掩蓋孔隙的材料涂抹在表面并拋光處理。
圖8所示。激光粉末床熔接試件[58]的光學顯微圖。多孔性和其他缺陷明顯地存在于材料中。使用光學顯微照相技術可以很容易地檢測到這些。然而，當考慮到較軟的材料可以掩蓋毛孔時，應該謹慎。(工藝參數采用:295w, 2250mm /s，層高0.11 mm)
在適當的刻蝕下，還可以使用OM(圖9)來識別熔池。然而，由于PBF鎳基高溫合金試樣的顯著特征通常為5 ~ 30 μm，因此OM法通常無法觀察到晶粒尺度的顯微組織。因此，如果需要了解宏觀以外的情況(焊縫軌跡、氣孔)，就需要使用更高分辨率的成像技術，如SEM。
圖9所示。激光粉末床熔凝鉻鎳鐵合金718試樣的x射線衍射結果。(一)粉末。(b)竣工垂直部分。(c)竣工水平截面[64]。正如預期的那樣，主要存在的相是γ面心立方NiCr相，觀察到γ′和γ”峰可以與γ重疊，很難分離不同的貢獻。
掃描電鏡(SEM)廣泛用于表征PBF鎳基高溫合金樣品的微觀組織。通過背散射電子顯微圖可以觀察到材料的表面形貌、晶粒結構、相和析出相。事實上，PBF過程中產生的快速加熱和冷卻循環往往使析出物很小(nm范圍內)，可能超出SEM的限制。由于這些成分、空間頻率和尺寸是決定合金性能的關鍵。這些物質的特征(和控制它們的形成)在過程中是至關重要的。
EBSD可以作為電子顯微鏡的輔助工具，提供關于材料晶體結構的更詳細的信息。圖19[59]給出了已建(AB)
LPBF
IN718樣品的EBSD方向圖。EBSD在將增材制造中的織構形成與相關的工藝參數和材料組成聯系起來方面特別有用。當考慮增材制造樣品的再結晶行為時，來自EBSD的數據集是非常有價值的。
圖19所示。激光粉末床熔凝鉻鎳鐵合金718試樣[59]的電子背散射衍射圖。這表明晶粒長大的主導方向是在構建方向，具有較強的<100>晶體織構，這是粉末床熔合過程的特點。帶有小等軸晶粒的單個激光掃描軌跡，重疊區域也可以在XY平面上看到(垂直于構建方向)。
Terner等人也使用EBSD來估計LPBF IN625中的殘余應力，方法是通過定向成像來評估局部定向錯誤或應變水平，并發現EBSD足以定性地評估材料[60]中的殘余應力。與EBSD相結合的是一系列利用激光超聲技術的新興技術。Rossin等人利用共振超聲光譜技術表征和檢測LPBF部件的微觀結構變化[61]。Smith等人進一步展示了空間分辨聲學光譜用于增材制造組件的表征[62]。雖然這些技術仍處于萌芽期，但它們有很大的潛力被應用于增材制造生產當中。
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