通过碳诱导碳化物析出，提高了激光粉末床熔融Inconel 939合金的抗裂性和机械性能

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Enhanced crack resistance and mechanical properties of laser powder bed fusion Inconel 939 via carbon-induced carbide precipitation

通过引入微量碳到IN939镍合金中，显著提升了激光粉末床熔融（LPBF）加工件的裂纹抵抗性，使其在宽泛工艺参数下实现无裂纹成型。碳添加通过窄化凝固温度范围、降低残余应力及促进MC碳化物析出，优化了界面结合强度与微观结构，使室温及1000℃拉伸强度分别提高56%和15%。

　　在航空航天领域，材料需要在极端的工作条件下保持高效运行，这些条件通常包括高温和高应力环境。同时，许多部件会在富氧环境中工作，这对材料的性能提出了更高的要求。镍基合金因其优异的高温性能，被广泛应用于这类关键部件中，例如涡轮叶片和燃烧室。然而，传统制造工艺在生产复杂形状部件时往往面临高成本和大量材料浪费的问题，而增材制造技术（Additive Manufacturing, AM）为解决这些问题提供了新的途径。特别是激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）技术，因其能够实现结构轻量化和提升部件性能，已成为制造复杂镍合金部件的重要方法。

尽管LPBF技术具有诸多优势，但在加工高铝（Al）和高钛（Ti）含量的镍基合金时，仍然存在显著挑战。这类合金在LPBF过程中容易出现裂纹扩展现象，导致成形性差和机械性能不佳。传统镍基合金如CM247LC、IN738LC和IN939等，由于其在LPBF过程中对裂纹的敏感性，限制了其在工程应用中的广泛使用。裂纹的形成通常与冷却速率和温度梯度有关，这些因素会影响树枝晶的生长过程，从而引入较大的残余应力，增加裂纹产生的可能性。此外，高Al/Ti比例会加速γ'相的析出速率，导致应力集中，进一步促进裂纹的形成。

IN939是一种低碳镍基合金，具有较高的铬含量，因此具备良好的氧化抗性，常用于航空航天和工业燃气轮机的高温部件中。然而，IN939在LPBF过程中往往出现严重的热裂问题，这严重限制了其在工程领域的应用。在固相和固液相转变过程中，裂纹的形成与树枝晶间的供料不足、残余液相的隔离以及残余拉应力有关。当残余液相在树枝晶网络中被隔离，并且无法在固相转变的最后阶段填补受拉区域时，裂纹就会形成。此外，LPBF过程中产生的高残余拉应力和固相析出的γ'强化相进一步削弱了基体的强度，使得固相裂纹在冷却过程中更容易出现。

为了减少裂纹形成的风险，研究人员通常采用优化工艺参数、调整合金成分、应用预热基板或使用等静压处理（Hot Isostatic Pressing, HIP）等方法。然而，这些方法在抑制非焊接镍基合金裂纹方面仍存在局限性。因此，探索新的合金设计方法成为当前研究的重点。近年来，通过调整合金元素的组成，例如引入异质形核剂，被证明是有效抑制裂纹形成的一种策略。例如，Zhang等人发现，向IN939合金中添加硅（Si）可以显著减少热裂现象，通过在晶界处形成富含硅的析出相，提高合金的强度，但同时也降低了其延展性。Bae等人则通过TiB?在熔融过程中的分解，实现Cr基硼化物析出相的均匀分布，从而细化晶粒结构，有效抑制裂纹形成。

碳作为关键的合金元素，对镍基合金的固相行为和机械性能有着重要影响。研究表明，适量的碳添加可以促进稳定的碳化物析出，提高晶界强度，从而抑制裂纹的形成。碳化物的形成不仅能够削弱低熔点相的稳定性，还能分散应力集中，防止热裂的发生。此外，碳化物的析出还能够细化晶粒结构，进一步增强合金的机械性能。碳化物的形态、体积分数和尺寸都会直接影响合金的性能。如果碳含量不足，可能会形成较薄的碳化物，从而降低合金的强度；而碳含量过多则可能导致碳化物的形态变得不规则，影响合金的整体性能。

基于以上背景，本研究提出了一种新的方法，通过在IN939镍基合金中引入微量碳，显著提高其抗裂性能。我们采用高能球磨粉体混合的方法，而非预合金粉末，以确保碳的均匀分布。这种方法不仅促进了碳化物的原位形成，还使得IN939C合金在异常宽的工艺窗口内能够实现无裂纹的加工。此外，碳化物的引入还细化了晶粒结构，提高了合金在室温和高温下的机械性能。通过理论计算，我们进一步分析了Ni与MC碳化物之间的界面强度，为理解碳化物在基体中的行为提供了更全面的视角。

在实验过程中，我们使用了商业气体雾化IN939粉末，其粒径范围为15 μm至53 μm。粉末在使用前经过真空干燥处理，以确保其含水量低于300 ppm。所有样品均在高纯度氩气环境中制备，以减少氧化反应对合金性能的影响。图1(a)展示了IN939粉末的表面形貌，其化学成分如表1所示。粉末的粒径分布呈现单峰特征，表明其粒径较为均匀，有利于LPBF过程中的均匀熔化和沉积。

通过LPBF技术，我们制备了立方形的IN939和IN939C样品，使用不同功率的激光和扫描速度进行加工。实验结果显示，IN939在低激光功率（130 W）下表现出广泛的裂纹，而随着激光功率和扫描速度的增加，裂纹密度有所降低，但仍存在一定的裂纹。相比之下，IN939C在低功率（110 W）下仅显示出不规则的气孔，而在高激光功率密度下则形成球形气孔。值得注意的是，IN939C在整个工艺窗口内均未出现裂纹，这表明微量碳的引入有效降低了裂纹形成的风险。

为了进一步探究碳化物对合金性能的影响，我们对IN939C的强化机制进行了深入分析。实验结果显示，IN939C的屈服强度相比IN939提高了350 MPa。这种强度的提升被认为与晶内组织的变化密切相关。材料内部复杂的组织变化可以导致其机械性能的显著提升，因此，本研究将重点探讨这种增强效应的根源。通过理论计算，我们发现碳化物的析出不仅改变了合金的微观结构，还通过增强晶界结合力和优化应力分布，提高了合金的整体性能。

本研究的结论表明，适量的碳添加对于提升LPBF IN939镍基合金的抗裂性能和机械性能具有积极作用。碳化物的引入不仅有助于提高晶界结合力，还能有效减少裂纹形成的可能性。通过实验表征和理论计算，我们得出以下主要结论：首先，固相裂纹是LPBF IN939合金部件中最常见的裂纹模式。其次，碳化物的析出能够优化合金的固相行为，降低其对裂纹的敏感性。最后，碳化物的引入为设计具有优异机械性能且无裂纹的镍基合金提供了一条新的合金设计路线。

综上所述，本研究通过引入微量碳，成功提升了IN939镍基合金的抗裂性能和机械性能。这种方法不仅拓宽了LPBF工艺的适用范围，还为未来镍基合金的设计和应用提供了新的思路。通过深入分析碳化物的形成机制及其对合金性能的影响，我们为解决高Al/Ti含量镍基合金在LPBF过程中的裂纹问题提供了理论支持和实验依据。