以下文章来源于材料科学与工程 ，作者材料科学与工程
金属增材制造技术(AM)以其带来的设计自由度、超高的材料利用率和通过逐点逐层扫描策略带来的制造灵活性而受到广泛关注。尽管该技术在生产具有复杂几何形状/定制结构和优异综合性能的零部件中表现出巨大的潜力，但裂纹等缺陷是增材制造技术面临的关键挑战，制约了增材制造技术的进一步广泛应用。
研究表明，众多高性能高温合金，如CM247LC、IN939、IN738和Hastelloy X等由于严重的周期性裂纹而无法实现可靠的打印。因此，了解裂纹的形成机理及影响开裂敏感性因素是实现裂纹缺陷有效抑制的根本和关键。
西北工业大学王锦程教授团队针对定向能量沉积(DED) 增材制造 Hastelloy X 高温合金裂纹形成机理开展了研究。本期谷.专栏将分享这一研究成果的主要内容。
相关研究成果以题“Cracking mechanism of Hastelloy Xsuperalloy during directed energy deposition additive manufacturing”发表在增材制造顶刊Additive Manufacturing上。
研究背景
作为一种典型的固溶强化型镍基高温合金，Hastelloy X 因其优良的抗氧化、耐腐蚀性和高温强度而被广泛应用于燃气涡轮发动机等零部件，如燃烧室壳体和燃油喷嘴。
由于燃油喷嘴等几何形状极其复杂，采用增材制造技术制备Hastelloy X合金构件展现出显著优势，因而引起了工程和科学领域的关注。然而，Hastelloy X合金在增材制造过程中极易开裂。长期以来，关于增材制造Hastelloy X合金的裂纹形成机理一直存在争议，其开裂敏感性影响因素也尚不清晰。
西北工业大学王锦程教授团队针对定向能量沉积(DED) Hastelloy X，基于微观组织分析、热力学计算结合热-力耦合模拟等研究方法，揭示了其裂纹形成机理，全面讨论了不同冶金因素对裂纹敏感性的影响规律。
主要思路
这项研究通过多尺度表征分析手段，包括基于裂纹长度、裂纹密度等裂纹特征和组织特征的实验表征分析、热裂敏感性计算、以及热-力耦合模拟综合阐明了增材制造Hastelloy X合金的开裂类型及裂纹萌生机理。
通过调节增材制造激光功率和扫描速度，制备出具有不同开裂敏感性的样品，并详细讨论了热应力/应变水平、晶界特征(晶界密度和晶界取向差角)、微量元素偏析等冶金因素对凝固开裂敏感性的影响，总结出当工艺条件改变时，影响定向能量沉积Hastelloy X合金中凝固裂纹萌生的关键因素。
研究结果
研究发现DED-Hastelloy X合金中产生了以液态薄膜为主要特征的晶间凝固裂纹，C和Mo元素的显微偏析增加了凝固温度区间，促进了低熔点液膜的形成。此外，DED-Hastelloy X合金在凝固末期产生~ 30MPa的热应力，为液膜的破裂、凝固裂纹的萌生及扩展提供了驱动力。
DED-Hastelloy X合金的开裂敏感性随线能量密度的增加呈现U型曲线关系，在低热输入下具有较高的开裂敏感性。定量的热-力耦合模拟计算表明，凝固末期的高塑性应变率是影响凝固开裂敏感性的关键因素之一。
研究首次发现了S-HAGB(易裂大角度晶界)占比是影响裂纹敏感性的重要因素，DED-HastelloyX合金临界开裂晶界取向差角为θ*>18º，超过75%的裂纹优先发生在晶界取向差角为25º-45º的范围内(定义为S-HAGB)，进一步证实了高的晶界能对开裂敏感性的重要影响。此外，晶界密度可通过调节热应变/应力水平和易裂大角度晶界占比来影响开裂敏感性。不同增材制造工艺下的元素显微偏析差异并不明显。相反，HastelloyX合金的成分对偏析行为有更为明显的影响，进而影响开裂敏感性。
研究总结
这项研究阐明了定向能量沉积增材制造Hastelloy X合金中产生了沿大角度晶界和以液态薄膜为主要特征凝固裂纹。当增材制造热输入(线能量密度)改变时，凝固末期塑性应变率水平以及易裂大角度晶界(S-HAGB)占比是影响凝固开裂敏感性的关键因素。通过降低塑性应变率并同时控制易裂大角度晶界占比可有效解决增材制造过程中开裂的瓶颈问题。优化合金成分调整偏析也是实现无裂纹零件制备的一条有前途的方法。上述研究成果可用于指导增材制造过程中无裂纹金属及合金的制备。
l 论文作者
论文第一作者为博士研究生郭博静，王锦程教授与何峰教授为共同通讯作者，西北工业大学为通讯单位。
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