北航郭伟团队增材顶刊：激光粉末床熔融制备镍基高温合金裂纹抑制机理方面取得重要进展！
2025-02-10 11:27:52
作者：材料科学与工程 来源：材料科学与工程
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近日，北航机械学院郭伟教授团队在激光粉末床熔融制备镍基高温合金裂纹抑制机理方面取得重要进展，研究成果以《Nano-scale microstructural evolution and mechanical property enhancement mechanism during crack inhibition in nickel-based superalloys fabricated by laser powder bed fusion》为题发表在增材领域顶刊《Additive Manufacturing》，该研究获国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目支持，张宏强副教授为论文通讯作者，王优博士为论文第一作者。研究团队以Haynes 230 为制备材料，通过不同高压下的微裂纹闭合状态，揭示了纳米析出相在裂纹闭合过程的演变及其对力学性能改善的作用机制，为激光粉末床熔融制备镍基高温合金的应用提供了理论支撑。https://doi.org/10.1016/j.addma.2025.104685Haynes 230在LPBF领域的工程应用有限，主要由于普遍存在的微裂纹问题。这些微裂纹源于极其快速的热循环，产生了高残余应力和显著的微观偏析，导致析出物的形成，阻碍了熔体流动，最终形成了缩孔和微裂纹。现有的裂纹抑制研究，如加入Nb会减少延展性，加入TiB2会降低高温性能，这些方法未能保持合金原有的机械性能，导致LPBF制备的Haynes 230仍面临应用问题。此外，纳米析出物在裂纹闭合过程中的作用尚不明确。现存研究仅限于微观组织分析，缺乏微观组织演变与机械性能提升的关联，尤其是纳米析出物在裂纹闭合过程中的作用。为了深入探讨这一问题，研究团队采用热等静压（HIP）技术抑制了LPBF制备的Haynes 230粉末高温合金中的微裂纹。对沉积态和HIP处理后的微观组织演变进行了全面表征，重点分析了纳米析出物在裂纹闭合过程中的作用，并详细解析了析出物的形成与转变机制，同时阐明了裂纹闭合过程中变形机制的变化。经HIP处理后，微裂纹在闭合位置形成了纳米析出物，同时晶粒和纳米析出物的尺寸增大，且增大程度受压力的限制。M23C6析出物转变为M6C，减少了晶格错配。在沉积态下，变形机制为位错滑移，而在裂纹抑制后，变形机制转变为变形孪晶和堆垛层错（SFs）。重要的是，强度和延展性得到了协同改善。强度的提高源自裂纹闭合和纳米析出物阻碍位错滑移的综合作用，而延展性的提升则得益于裂纹闭合、纳米析出物诱导的纳米孪晶形成以及变形机制的转变。本研究旨在建立微观结构演变与机械性能之间的稳健关联，推动LPBF技术的应用，并扩展高温合金的应用范围。
图1. (a) 晶界错配度分布，(b) IPF图像，(c) 晶粒尺寸分布，(d) XY平面中的裂纹生成。(e) 晶界错配度分布，(f) IPF图像，(g) 晶粒尺寸分布，(h) XY平面中的裂纹抑制。
图2. (a) 裂纹生成样品中基体与纳米析出物界面的HRTEM图，(b) 基体的晶面间距，(c) 纳米析出物的晶面间距。(d) 裂纹抑制样品中基体与纳米析出物界面的HRTEM图，(e) 基体的晶面间距，(f) 纳米析出物的晶面间距。
图3. (a) 裂纹生成和抑制样品的工程应力-应变曲线。(b) 加工硬化曲线。
图4. 拉伸断裂附近的微观组织。在裂纹生成状态下，(a) 断裂区域附近的高密度位错分布，(b) 亚晶界处的纳米析出物，(c) 亚晶界的纳米析出物中发生了位错钉扎。在裂纹抑制状态下，(d) 断裂区域附近的变形孪晶分布，(e) 孪晶边界处的暗场图像，(f) 孪晶边界处的HRTEM图，(g) 纳米析出物与基体界面处的堆垛层错（SFs），(h-i) 界面处的位错分布及相应的Burgers矢量。
图5. 3D IPF图（a）沉积态，（b）60 MPa，（c）130 MPa，（d）180 MPa。低倍放大下的微观结构演变（a1）沉积态，（b1）60 MPa，（c1）130 MPa，（d1）180 MPa。裂纹闭合过程的形貌（a2）沉积态，（b2）60 MPa，（c2）130 MPa，（d2）180 MPa。（e）裂纹闭合过程示意图。
综上，作者全面分析了LPBF制备的Haynes 230合金在微裂纹闭合过程中的微观结构演变及其对机械性能的协同增强作用。探讨了微观结构演变、强化及变形机制，并建立了它们之间的相互关系。
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