西工大苏海军教授团队：激光3D打印金属基复合材料新进展-引入CrFeNb异质形核实现镍基高温合金复合材料晶粒细化和力学性能的协同提升

第一作者：杨培鑫

通讯作者：苏海军

通讯单位：西北工业大学凝固技术国家重点实验室; 西北工业大学深圳研究院

DOI：https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.11.248

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近日，西北工业大学苏海军教授团队报道了通过引入CrFeNb异质形核剂，实现镍基高温合金复合材料晶粒细化和力学性能的协同提升。研究表明，异质成核中心的CrFeNb颗粒有效地促进了等轴晶晶粒的细化，并且未引入显著的残余应力。经热处理后IN718+4wt% CrFeNb复合材料的应力集中明显降低，晶粒取向不是沿着单一的<001>，而是趋于随机取向。沉积态IN718+4wt% CrFeNb的晶粒尺寸相比于沉积态IN718减小，平均粒径为13.46 μm。在热处理过程中，未熔化的CrFeNb颗粒溶解并扩散到γ基体中。另外还发现硬脆相沿晶界，且富含Nb和Mo元素。在三种强化机制的共同作用下，沉积态IN718+4wt% CrFeNb复合材料在室温下的力学性能得到了明显改善，热处理后的屈服强度、抗拉强度和硬度分别达到1194MPa、1426MPa和521HV。    

2 研究背景

IN718以其优异的机械性能、高温抗氧化性、-253~650℃抗蠕变性等特点，已在航空航天工业中得到广泛应用。目前IN718是航空航天领域中温关键零件应用最广泛的材料之一。激光粉末床熔融(LPBF)作为一种广泛应用的激光增材制造技术，具有效率高、易于制备复杂零件等特点。它极大地促进了关键部件的高效制备，已成为当前的研究热点。LPBF过程中产生的快速冷却速率和高热梯度导致了多类型裂纹和气孔的产生。因此，有必要在原始合金粉末中加入了少量高熔点颗粒，作为异质成核点，促进更细小晶粒的形成，进而提升材料的性能。研究表明，CrFeNb对传统铸造IN718的晶粒细化有积极作用，然而CrFeNb在LPBF过程中对IN718的影响机制仍不清楚，需进一步探索。

3 本文亮点

利用激光粉末床熔融技术一步成形IN718/CrFeNb复合材料，并对其进行热处理，实现复合材料激光增材制造微观组织、力学性能的协同提升，进一步拓展镍基高温合金复合材料激光增材制造的工程化应用范围。

4 图文解析

不完全熔化的CrFeNb颗粒分布在熔池内部和与其相邻沉积层中。Cr、Fe和Nb三种元素的质量分数分别为29.36 wt.%、30.30 wt.%和40.34 wt.%。如图1(c)所示CrFeNb颗粒周围观察到五种不同的晶粒形态，CrFeNb颗粒的边缘已经熔化，出现了一个宽度约为2.5μm的扩散层，证明CrFeNb在LPBF凝固过程中作为形核位点促进了异质形核。由于激光扫描为逐层旋转90°，微观组织呈现出柱状晶粒和等轴晶粒交替分布。如图1(e)所示，CrFeNb（白色区域）周围出现了不同取向的小晶粒，表明晶粒形核和生长仅发生在CrFeNb颗粒的表面。另外，从图1(f)中观察到，CrFeNb附近的残余应力没有显著增加，说明CrFeNb的加入未引入额外的残余应力。    

图1. 白色颗粒的宏观形态(a)和对应的EDS成分分布(b)以及沉积态IN718/CrFeNb复合材料的SEM图(c,d)、EBSD图(e)及相应的KAM图(f)

在高激光能量密度下，一部分CrFeNb发生熔化，而熔化的CrFeNb不能作为异质形核的位点。为了充分发挥CrFeNb的异质形核作用，需加入更多质量分数CrFeNb，如2wt%，甚至4wt%。从图2(a)中可以看出熔池交叠区的晶粒尺寸较小，而熔池中心区的晶粒较大。另外，还发现残余应力主要存在于熔池交叠区(图2(a1))。加入4wt%的CrFeNb后，发现残余应力明显降低，且分布相对均匀。细晶粒的体积分数明显增加，晶粒数量从80个增加到164个，平均粒径从17.54 μm减小到13.46 μm (图2(e))。    

图2 通过激光粉末床熔融成形的沉积态IN718试样(a-b1)和沉积态IN718+4wt% CrFeNb试样(c-d1)的EBSD图和KAM图。(a,c)和(b,d)分别显示横截面和纵截面; 1显示了相应试样的KAM图;(e)平均粒径的统计及分布; (f)沿着生长方向IPF图

在热处理过程中发生再结晶，晶粒尺寸变小，小尺寸晶粒的数量明显增加，但在小尺寸晶粒中仍然分布着一些大尺寸晶粒。热处理后IN718+4wt% CrFeNb试样发生了完全再结晶，晶粒明显细化。如图3(d)中白色晶界线所示，经热处理的IN718+4wt% CrFeNb试样的晶粒内部出现了许多亚晶界。另外，还发现热处理后IN718+4wt% CrFeNb试样的晶粒取向不是沿<001>单一方向，而是随机分布的(图3(d和e))。虽然热处理未完全消除残余应力，但分布更加均匀，应力集中较小。对再结晶的驱动力进行了深入分析，主要有3个原因。首先是沉积态IN718+4 wt% CrFeNb试样中的残余应力为再结晶提供了驱动力。其次，含有CrFeNb区域在高温下迅速膨胀，而其他区域在低温下膨胀较小，导致压缩应力和拉伸应力的相互作用以及热应力的产生。在较高温度下进行固溶处理会释放热应力，这为再结晶提供了部分驱动力。第三，CrFeNb和γ基体之间虽然有较低的晶格错配度，但还存在错配应力，再结晶过程提供一部分驱动力。    

图3. 经过热处理的激光粉末床熔融成形IN718试样(a,b)和IN718+4wt% CrFeNb试样(d,e)的EBSD图. (a,d)和(b,e)分别显示横截面(TD)和纵截面(BD), (c,f)分别表示相应的极图

图4.通过激光粉末床熔融成形的沉积态IN718+4wt% CrFeNb试样(a-c)和热处理后IN718+4wt% CrFeNb试样 (d-f)的TEM图.(b)为(a)对应的EDS图; (e)为(d)部分区域的HRTEM图; (f)为(e)中界面的SAED图.    

如图4(a)和(b)所示，沉积态IN718+4 wt% CrFeNb的晶界处存在大块碳化物((Nb,Ti)C)。由于加入了CrFeNb，熔化的Cr、Fe、Nb元素溶于基体中，因此在沉积态IN718+4 wt% CrFeNb试样中观察到少量针状δ相(Ni₃Nb)，尺寸为70∼120 μm。在热处理过程中，CrFeNb发生分解，透射电镜中没有观察到CrFeNb颗粒的存在。另外，还析出了大量的γ²相，盘状γ²相的长度为30~70 nm。

室温下的应力-应变曲线结果如图5(a)所示，沉积态IN718+4wt% CrFeNb的屈服强度和抗拉强度分别达到802MPa和1119MPa，分别高于IN718的19.3%和16.3%。热处理态IN718+4wt% CrFeNb的屈服强度和抗拉强度进一步提高，分别达到1194 MPa和1426 MPa。并分析了晶界强化、位错强化和载荷强化3种强化机制对室温拉伸性能的贡献。结果表明，本研究的结果高于采用LPBF和传统技术制造的其他颗粒添加的镍基高温合金复合材料，如图5(b)所示。另外，沉积态IN718+4wt% CrFeNb的硬度提高到366 HV，高于沉积态IN718的17.3%。经热处理后，IN718+4wt% CrFeNb (521 HV)的硬度比IN718 (484 HV)增加了37 HV。

图5 (a) 通过激光粉末床熔融成形的IN718与IN718+4wt% CrFeNb在室温下的应力-应变曲线；(b)与文献报道的使用激光粉末床熔融和铸造/锻造技术制备的IN718复合材料对比

5 结论展望    

本文通过向IN718高温合金中添加4wt%的CrFeNb，发现CrFeNb作为异质形核位点有效地细化了晶粒尺寸，平均晶粒尺寸从17.54 μm减小到13.46 μm，残余应力明显减弱。热处理后，CrFeNb颗粒溶解并扩散到γ基体中，沿晶界形成富含Nb和Mo元素的新相。热处理后IN718+4wt% CrFeNb试样的屈服强度和抗拉强度分别提高到1194 MPa和1426 MPa。此外，热处理后IN718+4wt% CrFeNb试样的硬度达到521 HV。沉积态IN718+4wt% CrFeNb的断裂模式为延性断裂，而热处理态IN718+4wt% CrFeNb断裂模式为混合断裂，以脆性断裂为主。热处理过程强化相与新相的析出，阻碍了二次裂纹的扩展，仅为59 mm。研究结果扩大了高性能添加颗粒IN718复合材料的成分设计范围，加速其在航空航天工程领域的工程化应用。

6 课题组简介

苏海军，西北工业大学长聘二级教授、博士生导师。国家“万人计划”科技创新领军人才，国家优秀青年科学基金获得者，中国有色金属创新争先计划获得者。入选国家首批“香江学者”计划、陕西省“青年科技新星”、陕西省冶金青年科技标兵、陕西省金属学会优秀科技工作者，担任陕西高校青年创新团队学术带头人、陕西重点科技创新团队带头人和先进高温合金陕西省高校重点实验室主任。长期从事先进定向凝固技术与理论及新材料研究，涉及高温合金、超高温复合陶瓷、半导体复合材料、有机薄膜太阳能电池、生物医用陶瓷材料，以及定向凝固和激光增材制造技术与理论等。主持包括国家重点研发计划项目，国家自然基金重点、优青等7项国家基金在内的30余项国家及省部级重要科研项目，在Nano Energy，Advanced Functional Materials，Nano Letters，Composites part B: Engineering，Additive manufacturing等众多知名期刊发表SCI论文200余篇。担任中国有色金属学会青年工作委员 会副主任委员、中国机械工程学会材料分会委员会委员、陕西省金属学会副理事长、陕西省有色金属学会副理事长，以及陕西省纳米科技学会常务理事。获授权中国发明专利60余项以及3项美国发明专利。参编专著3部。获陕西省科学技术一等奖、二等奖，中国交通运输协会科学技术二等奖，宁波市科技进步一等奖，陕西高校科学技术研究优秀成果特等奖，陕西省冶金科学技术一等奖，全国有色金属优秀青年科技奖和陕西青年科技奖等多项奖励。    

7 引用本文

Peixin Yang, Haijun Su^*, Quandong Hu,Yinuo Guo, Zhonglin Shen, Xiang Li, Hao Jiang, Minghui Yu, Xinquan Ji, Zhuo Zhang, Min Guo. Laser additive manufacturing of CrFeNb particles reinforced Ni-based superalloy composites with grain refinement and superior performance. Journal of Materials Research and Technology, 2024, 33: 9630-9640.