《Journal of Alloys and Compounds》：Tailoring ZhS6K-based Ni superalloys for laser-based directed energy deposition
编辑推荐：
通过CALPHAD方法优化化学成分，设计出Ni68和Ni75两种新型镍基超合金，显著改善其激光增材制造（DED-LB）过程中裂纹抑制能力，同时保持优异高温性能。研究显示，Ni75合金在800℃以下仍具有790MPa屈服强度和40%延展性优势，其微观结构以γ/γ'共晶为主，而ZhS6K合金因存在MC型碳化物导致加工性能差。
M. 克利莫娃 | I. 阿斯塔霍夫 | D. 克利缅科 | G. 扎迪基扬 | O. 克利莫娃-科尔斯米克 | R. 科尔斯米克 | N. 斯捷潘诺夫
俄罗斯圣彼得堡国立海洋技术大学激光与焊接技术研究所，邮编198095
摘要
增材制造（AM）是一系列强大的技术，可用于高效制造复杂形状的部件，尤其是由复杂且昂贵的合金制成的部件。然而，许多高性能合金（如高温镍基超合金）在增材制造过程中容易发生裂纹。在这项研究中，我们尝试通过改进化学成分来改进广泛使用的ZhS6K（俄罗斯牌号）超合金的性能，该合金含有超过50%的强化γ'相。我们采用高通量CALPHAD方法，通过最小化结晶间隔，开发了两种不同合金化程度的ZhS6K合金变体，分别为Ni68和Ni75（按重量百分比计）。新合金粉末是通过气体雾化法制备的。利用基于激光的能量定向沉积技术，我们制备了这两种新合金以及参考合金ZhS6K的试样（尺寸为16 × 16 × 200 mm3）。Ni68和Ni75合金的“可打印性”（即不易开裂）优于ZhS6K合金。这两种合金的结构以沿<100>方向排列的细长外延晶粒为主，同时还包含一定比例的等轴晶粒。ZhS6K合金中发现了MC型碳化物，而Ni68合金中则同时存在MC型和M?C型碳化物。两种合金中都检测到了γ/γ'共晶结构。Ni75合金仅由γ相和γ'相组成，其γ'相的比例明显低于ZhS6K（64%）和Ni68（72%）。在拉伸机械性能方面，Ni68合金的强度与ZhS6K相当：室温下的屈服强度分别为900 MPa和930 MPa，并且在温度低于800°C时强度进一步提高。然而，Ni68合金的延展性稍低，尤其是在高温下，这可能与其中存在的M?C碳化物有关。相比之下，Ni75合金的硬度明显低于其他两种合金——室温下的屈服强度为790 MPa，但延展性提高了40%。
引言
金属增材制造（AM）为高效低成本地制造复杂形状的部件提供了前所未有的机会[1]。这些机会对于航空航天工程等高科技领域尤其具有吸引力。航空航天工业经常需要使用昂贵且难以加工的合金（如钛基或镍基合金）来制造复杂形状的部件[2]。因此，航空航天工业已经采用多种增材制造工艺来生产飞机和其他交通工具的机体和发动机部件[3]。
通常，飞机发动机在极高温度下运行，以确保高功率和高效率[4]。这些高温部件主要由镍基超合金制成，其基体为γ相（面心立方结构的镍固溶体），并通过L1?有序（Ni?Al型）γ'沉淀物进行强化[5][6]。用于发动机最热区域的超合金通常含有超过50%体积百分比的立方体形状的γ'沉淀物。基体晶粒也经过复杂合金化处理，以确保与γ'沉淀物之间的晶格失配，并限制位错的移动。此外，基体晶粒的边界通常会故意沉积碳化物/硼化物，以降低晶界移动性并提高抗蠕变能力。
尽管镍基超合金具有出色的抗蠕变性能、合理的抗氧化性能和可接受的韧性，但它们难以加工。例如，高γ'含量的镍基超合金由于容易产生大量裂纹，通常被认为不适合进行增材制造[7]。这也使得它们不适合快速发展的增材制造技术[8][9][10][11][12][13][14]。为了克服这一限制，专门为增材制造开发的镍基超合金已成为材料科学领域的一个快速发展的研究方向[15][16][17][18][19][20][21]。这类合金的开发通常基于计算方法，而非传统的“试错”方法，以确保所需的效率[16][22][23][24]。为了降低热裂纹倾向，合金的凝固范围应尽可能小，并且在凝固后期液态相的比例也应尽可能低[25]。此外，还需要控制γ'沉淀物的溶解温度，同时保持其在工作温度下的体积分数足够高。最后，还需要控制其他次要相（如碳化物/硼化物或不同拓扑密排（TCP）相的比例。CALPHAD（相图计算）方法是一种有效的工具，可以快速评估所有这些因素，并可作为基于镍的增材制造合金计算开发的基础[26][27][28][29]。
例如，在[16]中，通过CALPHAD计算并计算出屈服强度后，开发了两种新型“设计合金”。与传统的Inconel 739和CM247LC合金相比，这些新型合金在选择性激光熔化（SLM）过程中裂纹较少。同时，新型合金的性能与Inconel 739和CM247LC相当。在[17]中，通过部分去除Ti并添加Ta和Hf对Rene 80合金进行了改性。通过选择性电子束熔化（SEBM）制备的改性合金在870°C时的强度甚至高于铸造的Rene 80合金。在[30]中，通过调整Si含量对IN738LC合金进行了改性。这种方法成功解决了SLM过程中参考合金的热裂纹问题。在[23]中，介绍了一种专为激光束定向能量沉积（LB-DED）优化的新型合金。
然而，尽管上述文献涵盖了大量研究，但仍存在一些空白。首先，关于增材制造后“经典”不可焊接合金的性能信息有限，即新开发的合金通常是与铸造合金进行对比的。其次，像Al和Ti这样的析出形成元素会增加裂纹倾向[31]，减少这些元素的浓度可以提高“可打印性”。然而，这种改性可能会影响机械性能。此外，关于不同程度合金化的比较在文献中较为缺乏。因此，在本研究中，我们探讨了具有高γ'体积分数但“可打印性”较差的俄罗斯牌号ZhS6K合金的结构，并将其与两种新开发的合金进行了比较，这两种新合金的合金化程度不同，分别含有68%和75%的镍。
小节片段
合金设计流程
在本研究中，我们使用CALPHAD方法评估了化学成分对超合金凝固范围和相变的影响，研究基于商用牌号的ZhS6K。计算使用Thermo-Calc 2022b程序和TCHEA5: High Entropy Alloy v5.1数据库进行，同时整合了TC-Python软件包以支持Python编程语言。筛选程序的浓度区间是根据俄罗斯标准OST 1 90126-85选定的
实验程序
实验材料为商用ZhS6K粉末以及根据上述成分改进的Ni68和Ni75超合金粉末。这些粉末由俄罗斯图拉市的Polema JSC公司采用气体雾化法制备。所有合金的颗粒形态主要为球形，少数为不规则形状，表面还附有一些卫星颗粒（见图2）。ZhS6K粉末的粒径分布范围为40-90 μm，Ni68和Ni75粉末的粒径分布范围为40-150 μm
微观结构
图4展示了通过DED-LB沉积的合金的外观和宏观结构。对样品表面的视觉分析未发现Ni68和Ni75合金有裂纹形成（见图4b、c），而在ZhS6K超合金的SD-BD平面中检测到从基底/样品界面扩展的宏观裂纹（见图4a）。对样品不同部位的宏观结构分析确认没有熔合缺陷或裂纹
讨论
本研究的结果表明，化学成分显著影响了参考合金的技术性能和机械性能。例如，Ni68和Ni75合金的“可打印性”更好，即比“原始”ZhS6K合金更不易开裂（见图4），尽管程度不同（Ni75合金的表现优于Ni68合金）。同时，Ni68合金的强度与ZhS6K合金相当，但延展性略有降低。
结论
我们利用基于CALPHAD的高通量计算方法设计了两种新型镍基超合金Ni68和Ni75。设计目标是最小化凝固范围，从而显著降低了合金的裂纹倾向。得出以下结论：
1)通过DED-LB制备的合金的微观结构以沿<100>方向排列的外延生长柱状晶粒为主
利益冲突声明
我们希望提交由M. 克利莫娃、I. 阿斯塔霍夫、D. 克利缅科、G. 扎迪基扬、O. 克利莫娃-科尔斯米克、R. 科尔斯米克、N. 斯捷潘诺夫共同撰写的论文《为基于激光的能量定向沉积定制的ZhS6K基镍超合金》，以供《Alloys and Compounds》期刊考虑发表。作者声明没有利益冲突。
