避免裂紋形成以確保可靠的打印性和良好的穩定性是激光增材制造合金的關鍵。與以往普遍嘗試減少液膜和凝固范圍的研究不同，本研究創新性地利用偏析工程和豐富的胞界引入液相回填以及偏析相網絡，以緩解熱應力，從而消除熱裂紋。具體而言，通過在鎳基高溫合金中引入鋯，在激光增材制造過程中形成連續的枝晶間液膜。研究發現，當鋯含量達到1 wt.%時，連續金屬間化合物Ni₁₁Zr₉偏析相修飾胞界，Haynes 230合金的打印樣品中裂紋完全消除。此外，這種連續的Ni₁₁Zr₉網絡層可作為“骨架”顯著提高打印樣品的屈服強度。經過適當的熱處理后，這些Zr改性的Haynes 230合金表現出優異的強塑性組合，優于先前報道的Haynes 230合金。這些發現為激光增材制造無裂紋且具有優異力學性能的合金提供了新的合金設計路線。
 

創新方法與解決的問題：
      本研究通過偏析工程策略，在激光增材制造鎳基高溫合金中引入鋯元素，利用其低分配系數在枝晶間和胞界形成連續液膜及Ni₁₁Zr₉偏析相網絡。該方法通過液相回填緩解熱應力，并利用偏析相的塑性變形協調殘余應變，從而解決了傳統鎳基高溫合金在快速凝固過程中因液膜擴展和熱應力集中導致的熱裂紋問題。
 

Fig.1.
(a) 沿構建方向（BD）的原始（0 wt.% Zr）和Zr改性Haynes 230（1 wt.% Zr）樣品的光學顯微鏡（OM）圖像。（b）斷口胞界特征證實原始樣品存在熱裂紋。原始Haynes 230樣品的微觀結構特征：
(c) 沿BD的電子背散射衍射（EBSD）反極圖（IPF），顯示裂紋沿柱狀晶界擴展（箭頭所示）；
(d) 胞界裝飾的納米顆粒；
(g) 固態晶粒的亮場TEM圖像；
(h) (g)中Ni₂W₄C顆粒的選區電子衍射（SAED）圖樣。
Zr改性Haynes 230樣品的微觀結構特征：
(e) 胞界連續網絡析出物；
(f) 沿BD的EBSD IPF圖；
(i) 固態晶粒的亮場TEM圖像；
(j) (i)中金屬間化合物Ni₁₁Zr₉相的SAED圖樣。
 

Fig.2.
(a) 原始和Zr改性Haynes 230合金的Scheil-Gulliver凝固曲線。（b）原始和Zr改性Haynes 230合金在30°C至1450°C加熱過程中的差示掃描量熱法（DSC）結果。（c）不同Zr含量打印樣品的X射線衍射（XRD）圖譜。（d）樣品XRD（220）和（200）衍射峰強度比隨Zr含量的變化關系。插圖提供通過sin²ψ法計算的殘余應力值。
 

Fig.3.
LPBF制造的Haynes 230樣品的代表性OM和SEM圖像，分別含有：
(a,e) 0 wt.%，
(b,f) 0.5 wt.%，
(c,g) 1 wt.%，
(d,h) 1.5 wt.% Zr。黃色箭頭指示晶界。
 

Fig.4.
原始和Zr改性Haynes 230樣品的打印微觀結構。
(a,d) 橫向和縱向胞微結構的亮場TEM圖像（〈011〉帶軸）；
(b,e) 分別對應(a)和(d)的HRTEM圖像；
(c) Ni₁₁Zr₉相的高分辨率TEM圖像；
(f) (c)中標記區域的逆傅里葉變換（IFFT）圖像。
 

Fig.5.
(a,b) 熱處理后原始和Zr改性Haynes 230樣品的SEM圖像概覽。（c）TEM圖像顯示納米析出相在胞和晶界均勻分布。（d）TEM圖像顯示(a)中晶界析出相的詳細微觀結構。（e）Ni、W、Cr、Zr、Mo和C的EDS圖譜。（f）(c)中標記的ZrC顆粒的SAED圖樣。
 

Fig.6.
(a) 打印態和熱處理后Zr改性及原始Haynes 230合金的工程應力-應變曲線。（b）LPBF制造的Haynes 230合金、先前報道的鍛造Haynes 230合金及本研究中樣品的屈服強度-延伸率數據總結。
 

Fig.7.
TEM和SEM圖像顯示Zr改性Haynes 230樣品拉伸變形后的微觀特征：
(a) 打印態樣品中位錯在Ni₁₁Zr₉界面堆積；
(b) ZrC顆粒周圍位錯堆積；
(c) 打印態樣品的胞/晶內撕裂斷口形貌；
(d) 熱處理后樣品的韌窩斷口形貌。

結論
本研究通過偏析工程策略，在激光增材制造鎳基高溫合金中引入鋯元素，成功實現了無裂紋打印。Zr的添加促使枝晶間形成連續Ni₁₁Zr₉液膜和網絡化金屬間化合物，有效緩解了熱應力并抑制裂紋擴展。熱處理后，Ni₁₁Zr₉相溶解并轉變為均勻分布的ZrC納米顆粒，顯著改善了合金的強塑性協同效應。該研究為激光增材制造無裂紋且具有優異力學性能的合金提供了新思路。

文獻鏈接
Zhao, Y., Ma, Z., Yu, L., & Liu, Y. (2023). New alloy design approach to inhibiting hot cracking in laser additive manufactured nickel-based superalloys. Acta Materialia. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118736

(責任編輯：admin)

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