中南大学与中国航发南方工业团队：激光选区熔化GH3536 镍基高温合金组织与性能研究

| 3DScienceValley · 2023/07/02

以下文章来源于稀有金属RareMetals ，作者陈楠

镍基高温合金因其高温性能、热稳定性和优异的耐腐蚀性能而被广泛应用于航空航天、车船、能源和核工业领域的热端部件，如燃气涡轮发动机叶片等。为了进一步扩大镍基高温合金的工作温度范围，通常镍基高温合零部件内部会存在复杂的冷却通道；而且，在实际使用中镍基高温合金零部件的形状较为复杂，尺寸精度要求更为严格。由于镍基高温合金硬度较高、加工硬化率高和热扩散性能差，使用传统的制备方法越来越难以满足实际需求。

激光选区熔化（SLM）是一种典型的金属 3D 打印技术，在难加工、结构复杂高温合金零部件的加工成形方面具有极大的优势，被广泛地应用于航空航天领域。它通过高能激光束选择性地熔化金属粉末，能够直接制造出近乎全致密、高精度、形状复杂的金属零件，该技术已成功应用于铝合金、钛合金和镍基高温合金。因此， SLM 3D打印技术被认为是一种很有前景的制造镍基高温合金复杂零部件的技术。

在《稀有金属》期刊发表的《激光选区熔化GH3536镍基高温合金组织与性能研究》一文中，中南大学粉末冶金研究院、粉末冶金国家重点实验室与中国航发南方工业有限公司的团队研究了激光选区熔化（SLM）GH3536 合金扫描面与建造面的组织与性能。采用光学显微镜（OM）、X 射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）对激光选区熔化GH3536合金金相、物相、微观组织和晶粒特征进行研究。本期谷.专栏将分享该研究的要点。

结果表明，通过优化成形参数可以减少合金中孔隙与微裂纹，但是无法消除。半椭圆形熔池广泛分布于建造面，其宽深比约为1.5。激光选区熔化 GH3536合金由单一的面心立方 γ奥氏体组成。扫描面与建造面都分布着大量胞状与柱状亚晶，建造面熔池交界处存在沿建造方向的微裂纹。建造面的平均晶粒尺寸（145.1 μm）约为扫描面晶粒尺寸的4.5倍，织构强度约为扫描面的2倍。横向与纵向试样的拉伸性能存在明显差异，横向试样的屈服强度和极限抗拉强度分别为645 MPa和781 MPa，分别比纵向试样高4.1%和7.0%。激光选区熔化 GH3536合金断口呈明显韧性断裂，存在大量韧窝。本研究有望为激光选区熔化GH3536合金扫描面与建造面组织与性能差异提供有效的参考。

图文速览

图1 SLM工艺用气雾化GH3536合金粉末形貌与（SEM图像）粒径分布

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

图2 激光选区熔化GH3536合金试样、激光扫描路径以及拉伸试样尺寸示意图

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

图3 不同激光参数下成形GH3536合金试样腐蚀前OM图像

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

图4 激光选区熔化 GH3536 合金扫描面与建造面的 XRD图谱

Fig.4 XRD patterns of GH3536 alloy by SLM

图5 激光选区熔化GH3536合金的腐蚀后OM图像与局部放大图像

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

图6 激光选区熔化GH3536合金的微观组织（SEM图像）

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

图7 激光选区熔化GH3536合金的EBSD晶粒取向与尺寸分布图（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

图8 激光选区熔化GH3536合金扫描面与建造面的极图和｛100｝取向反极图

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

图9 激光选区熔化GH3536合金的EBSD晶粒取向与尺寸分布图

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

图10 激光选区熔化GH3536合金扫描面与建造面的KAM图和相应的直方图

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

图11 激光选区熔化GH3536合金试样的应力-应变曲线

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

图12 激光选区熔化GH3536合金水平方向与垂直方向拉伸断口形貌（SEM图像）

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

全文小结

采用SLM技术制备GH3536合金，通过对扫描面与建造面形貌分析、物相分析、显微组织、晶粒特征与力学性能对比分析，明确了SLM GH3536合金组织与性能特征。主要结论如下：

1.通过优化成形参数可以减少合金中孔隙与微裂纹，但是无法消除。半椭圆形熔池广泛分布于建造面，其平均宽度约为 200 μm，平均深度约为120 μm，宽深比约为 1.5。熔池深度贯穿 3~4 层铺粉厚度，成形过程中冶金结合良好。

2.激光选区熔化GH3536合金由单一的面心立方 γ 奥氏体组成。扫描面织构沿（220）晶面生长，而建造面具有<002>纤维织构。扫描面与建造面都分布着大量胞状与柱状亚晶，建造面熔池交界处存在沿建造方向的微裂纹。建造面的平均晶粒尺寸为 145.1 μm，约为扫描面晶粒尺寸的 4.5 倍，织构强度约为扫描面的2倍。

3.激光选区熔化GH3536合金扫描面与建造面的织构指数与织构强度均大于1，微观组织呈现明显的各向异性。合金柱状晶内部分布着大量的小角度晶界，扫描面的小角度晶界体积分数为 62.9%，而建造面的小角度晶界高达82.9%。激光选区熔化GH3536合金激光搭接区域残余应力较大，扫描面与建造面的平均KAM分别为1.41和1.04。

4.横向与纵向试样的拉伸性能存在明显差异，表现出明显的各向异性。横向试样的屈服强度和极限抗拉强度分别为 645 和 781 MPa，分别比纵向试样高4.1%和7.0%，而其延伸率比纵向低11.5%，这主要是因为凝固裂纹沿着生长方向分布降低其塑性。激光选区熔化 GH3536 合金呈明显韧性断裂，断口处存在大量韧窝；韧窝平均尺寸约为0.5 μm。
论文引用信息：

陈楠，李瑞迪，袁铁锤，张毅，马鑫，黄敏. 激光选区熔化GH3536镍基高温合金组织与性能研究 [J]. 稀有金属，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.