鎳基高溫合金因其高溫性能、熱穩(wěn)定性和優(yōu)異的耐腐蝕性能而被廣泛應(yīng)用于航空航天、車(chē)船、能源和核工業(yè)領(lǐng)域的熱端部件，如燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等。為了進(jìn)一步擴(kuò)大鎳基高溫合金的工作溫度范圍，通常鎳基高溫合零部件內(nèi)部會(huì)存在復(fù)雜的冷卻通道；而且，在實(shí)際使用中鎳基高溫合金零部件的形狀較為復(fù)雜，尺寸精度要求更為嚴(yán)格。由于鎳基高溫合金硬度較高、加工硬化率高和熱擴(kuò)散性能差，使用傳統(tǒng)的制備方法越來(lái)越難以滿足實(shí)際需求。

       激光選區(qū)熔化（SLM）是一種典型的金屬 3D 打印技術(shù)，在難加工、結(jié)構(gòu)復(fù)雜高溫合金零部件的加工成形方面具有 極 大 的 優(yōu)勢(shì) ，被廣泛地應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。它通過(guò)高能激光束選擇性地熔化金屬粉末，能夠直接制造出近乎全致密、高精度、形狀復(fù)雜的金屬零件，該技術(shù)已成功應(yīng)用于鋁合金、鈦合金和鎳基高溫合金。因此， SLM 3D打印技術(shù)被認(rèn)為是一種很有前景的制造鎳基高溫合金復(fù)雜零部件的技術(shù)。

        在《稀有金屬》期刊發(fā)表的《激光選區(qū)熔化GH3536鎳基高溫合金組織與性能研究》一文中，中南大學(xué)粉末冶金研究院、粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與中國(guó)航發(fā)南方工業(yè)有限公司的團(tuán)隊(duì)研究了激光選區(qū)熔化（SLM）GH3536 合金掃描面與建造面的組織與性能。采用光學(xué)顯微鏡（OM）、X 射線衍射儀（XRD）、掃描電鏡（SEM）和電子背散射衍射（EBSD）對(duì)激光選區(qū)熔化GH3536合金金相、物相、微觀組織和晶粒特征進(jìn)行研究。本期谷.專(zhuān)欄將分享該研究的要點(diǎn)。

       結(jié)果表明，通過(guò)優(yōu)化成形參數(shù)可以減少合金中孔隙與微裂紋，但是無(wú)法消除。半橢圓形熔池廣泛分布于建造面，其寬深比約為1.5。激光選區(qū)熔化 GH3536合金由單一的面心立方 γ奧氏體組成。掃描面與建造面都分布著大量胞狀與柱狀亞晶，建造面熔池交界處存在沿建造方向的微裂紋。建造面的平均晶粒尺寸（145.1 μm）約為掃描面晶粒尺寸的4.5倍，織構(gòu)強(qiáng)度約為掃描面的2倍。橫向與縱向試樣的拉伸性能存在明顯差異，橫向試樣的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度分別為645 MPa和781 MPa，分別比縱向試樣高4.1%和7.0%。激光選區(qū)熔化 GH3536合金斷口呈明顯韌性斷裂，存在大量韌窩。本研究有望為激光選區(qū)熔化GH3536合金掃描面與建造面組織與性能差異提供有效的參考。

 圖文速覽

圖1 SLM工藝用氣霧化GH3536合金粉末形貌與（SEM圖像）粒徑分布

Fig.1 SEM image （insert being enlarged image）（a）and particle size distribution（b）of gas atomized GH3536 powders by SLM

圖2 激光選區(qū)熔化GH3536合金試樣、激光掃描路徑以及拉伸試樣尺寸示意圖

Fig.2 Schematic diagram of GH3536 superalloy specimens by SLM（a），laser scanning path（b）and tensile specimen size（mm）（c）

圖3 不同激光參數(shù)下成形GH3536合金試樣腐蝕前OM圖像

Fig.3 OM images of GH3536 alloys under different laser parameters（a~a3）700 mm·s -1 ；（b~b3）800 mm·s -1；（c~c3）900 mm·s -1；（d~d3）1000 mm·s -1

圖4 激光選區(qū)熔化 GH3536 合金掃描面與建造面的 XRD圖譜

Fig.4 XRD patterns of GH3536 alloy by SLM

圖5 激光選區(qū)熔化GH3536合金的腐蝕后OM圖像與局部放大圖像

Fig.5 OM image（a）and enlarged image（b）of GH3536 alloy by SLM after corrosion

圖6 激光選區(qū)熔化GH3536合金的微觀組織（SEM圖像）

Fig.6 Microstructures of GH3536 alloys by SLM （SEM images）（a，b）Scanning plane；（c，d）Building plane

圖7 激光選區(qū)熔化GH3536合金的EBSD晶粒取向與尺寸分布圖（BD：成形方向）

Fig.7 EBSD grain orientation and size distribution of GH3536 alloys by SLM（BD：building direction）（a，b）Scanning plane；（c，d）Building plane

圖8 激光選區(qū)熔化GH3536合金掃描面與建造面的極圖和｛100｝取向反極圖

Fig.8 Pole figures （a，c）and｛100｝orientation inverse pole figures（b，d）of GH3536 alloys by SLM（a，b）Scanning plane；（c，d）Building plane

圖9 激光選區(qū)熔化GH3536合金的EBSD晶粒取向與尺寸分布圖

Fig.9 EBSD grain orientation （a，c）and size distribution （b，d）of GH3536 alloys by SLM（a，b）Scanning plane；（c，d）Building plane

圖10 激光選區(qū)熔化GH3536合金掃描面與建造面的KAM圖和相應(yīng)的直方圖

Fig.10 KAM maps （a，c） and corresponding histograms（b，d）of GH3536 alloys by SLM（a，b）Scanning plane；（c，d）Building plane

圖11 激光選區(qū)熔化GH3536合金試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

Fig.11 Stress-strain curves of horizontal and vertical samples of GH3536 alloys by SLM

圖12 激光選區(qū)熔化GH3536合金水平方向與垂直方向拉伸斷口形貌（SEM圖像）

Fig.12 SEM images of tensile fracture morphology of GH3536 alloys by SLM（a，b） Horizontal direction；（c，d）Vertical direction

 全文小結(jié)

      采用SLM技術(shù)制備GH3536合金，通過(guò)對(duì)掃描面與建造面形貌分析、物相分析、顯微組織、晶粒特征與力學(xué)性能對(duì)比分析，明確了SLM GH3536合金組織與性能特征。主要結(jié)論如下：

1.通過(guò)優(yōu)化成形參數(shù)可以減少合金中孔隙與微裂紋，但是無(wú)法消除。半橢圓形熔池廣泛分布于建造面，其平均寬度約為 200 μm，平均深度約為120 μm，寬深比約為 1.5。熔池深度貫穿 3~4 層鋪粉厚度，成形過(guò)程中冶金結(jié)合良好。

2.激光選區(qū)熔化GH3536合金由單一的面心立方 γ 奧氏體組成。掃描面織構(gòu)沿（220）晶面生長(zhǎng)，而建造面具有<002>纖維織構(gòu)。掃描面與建造面都分布著大量胞狀與柱狀亞晶，建造面熔池交界處存在沿建造方向的微裂紋。建造面的平均晶粒尺寸為 145.1 μm，約為掃描面晶粒尺寸的 4.5 倍，織構(gòu)強(qiáng)度約為掃描面的2倍。

3.激光選區(qū)熔化GH3536合金掃描面與建造面的織構(gòu)指數(shù)與織構(gòu)強(qiáng)度均大于1，微觀組織呈現(xiàn)明顯的各向異性。合金柱狀晶內(nèi)部分布著大量的小角度晶界，掃描面的小角度晶界體積分?jǐn)?shù)為 62.9%，而建造面的小角度晶界高達(dá)82.9%。激光選區(qū)熔化GH3536合金激光搭接區(qū)域殘余應(yīng)力較大，掃描面與建造面的平均KAM分別為1.41和1.04。

4.橫向與縱向試樣的拉伸性能存在明顯差異，表現(xiàn)出明顯的各向異性。橫向試樣的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度分別為 645 和 781 MPa，分別比縱向試樣高4.1%和7.0%，而其延伸率比縱向低11.5%，這主要是因?yàn)槟�固裂紋沿著生長(zhǎng)方向分布降低其塑性。激光選區(qū)熔化 GH3536 合金呈明顯韌性斷裂，斷口處存在大量韌窩；韌窩平均尺寸約為0.5 μm。
論文引用信息：

陳 楠，李瑞迪，袁鐵錘，張毅，馬 鑫，黃 敏. 激光選區(qū)熔化GH3536鎳基高溫合金組織與性能研究 [J]. 稀有金屬，2022，47(5): 679-691.

Chen Nan，Li Ruidi，Yuan Tiechui，Zhang Yi，Ma Xin，Huang Min. Microstructure and Properties of GH3536 Nickel-Based Superalloys by Selective Laser Melting [J]. Chinese Journal of Rare Metals, 2022, 47(5): 679-691.

(責(zé)任編輯：admin)

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