《Materials Science and Engineering: A》：Long-term aging of LPBF GTD222: η-phase–mediated microstructural instability and tensile property deterioration with TaC added
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激光粉末床熔融制备的GTD222镍基合金及5% TaC增强复合材料在800°C长期热暴露下的显微结构演变和室温拉伸性能研究。通过对比发现，TaC的添加细化了晶粒结构并减弱了织构强度，但在热暴露过程中，复合材料虽然保持较高强度，延展性却显著下降。
Ziang Li|Shuang Gao|Qi Li|Luqing Cui|Guoxin Lu
上海工程技术大学材料工程学院，中国上海201620
摘要：
本研究通过激光粉末床熔融（LPBF）技术制备了GTD222镍基超级合金和添加了5 wt.% TaC的复合材料，并系统研究了它们在800 °C长期热暴露过程中的微观结构演变及室温拉伸性能。与GTD222基体合金相比，TaC的添加细化了原始微观结构并降低了织构强度，这与我们之前发表的研究结果一致[1]。在LPBF加工过程中，熔池底部残留的富TaC颗粒表现出圆化边缘和近椭球形形态，表明发生了局部界面溶解和相关的溶质重分布，而非完全熔化。在热暴露过程中，GTD222基体合金经历了短期晶粒细化后随后的粗化，而添加了5 wt.% TaC的复合材料中的晶粒生长受到更多限制。同时，两种材料都出现了板状/针状η相关相的析出，定量图像分析显示其体积分数从500小时后的2.15%增加到5000小时后的11.39%，远高于基体合金。在原始状态下，复合材料的室温强度（UTS/YS ≈ 1500/1215 MPa）高于基体合金，但延展性较低。随着暴露时间的增加，两种材料的强度均呈现先增加后降低的趋势，而延展性则呈单调下降。尽管复合材料在整个暴露过程中保持了较高的绝对强度水平，但其后期脆化现象更为严重，延展性降至5.4%。
引言
GTD222是一种γ′强化的镍基超级合金，具有优异的高温强度和抗氧化性，因此是先进航空发动机热端部件的理想候选材料[2]。然而，由于冷却速率限制和凝固缺陷，传统的熔模铸造在制造复杂薄壁近净成形结构方面存在局限性。激光粉末床熔融（LPBF）技术因其高度的设计灵活性和近净成形能力而成为一种有吸引力的替代方案[3]。然而，由于逐层凝固过程中的急剧温度梯度和方向性热流，LPBF制备的镍基超级合金通常具有拉长的晶粒和明显的晶体织构，这可能导致各向异性[4, 5]。需要注意的是，这些特征并非普遍存在，其程度很大程度上取决于合金成分、工艺参数、扫描策略和后处理历史。
陶瓷颗粒的引入已被广泛探索为调控LPBF凝固微观结构和改善机械性能的有效方法。在这些系统中，陶瓷颗粒的作用可能来源于熔池行为的改变、异质形核的辅助、晶粒生长的限制以及晶界钉扎等多种机制的综合作用。以往对TiC增强LPBF GTD222合金的研究表明，陶瓷颗粒可以细化晶粒并提高强度[6, 7]，但织构弱化和长期热稳定性仍需进一步研究。此外，高温下的界面兼容性不足或溶质重分布可能导致有害相的析出，从而降低长期使用可靠性[8]。
在之前关于相同LPBF TaC/GTD222材料系统的研究中[1]，发现微米级TaC的添加可以细化原始微观结构，降低强织构，促进γ′相的析出，并提高初始室温强度。更重要的是，透射电子显微镜（TEM）/高分辨透射电子显微镜（HRTEM）表征显示，颗粒/基体界面附近存在半共格的TaC/Ni界面和高位错密度，从而确立了该材料系统的基本强化机制[1]。然而，该研究并未探讨初始优化的微观结构在长时间热暴露过程中的稳定性。
在LPBF加工过程中，TaC在颗粒表面或界面处的局部溶解可能将Ta和C释放到基体中，从而改变局部化学成分并影响热暴露过程中的微观结构演变。这种溶质重分布可能影响γ′相的演变、晶界析出以及长期使用过程中的脆化行为[9, 10, 11, 12, 13]。这些协同效应有助于提高材料在长时间热暴露下的微观结构稳定性。然而，过量的Ta含量会促进热暴露合金中有害TCP相的析出[14]。因此，研究TaC微熔化对镍基复合材料微观结构和性能稳定性的影响是一个亟待探讨的关键问题。
尽管关于LPBF陶瓷增强镍基复合材料的研究较为丰富，但目前的研究主要集中在工艺优化和制备态性能上[4, 5, 15]，长期热暴露过程中晶粒结构、η相关相析出及拉伸性能的耦合演变仍不够明确。因此，本研究旨在阐明LPBF制备的GTD222和5 wt.% TaC/GTD222材料在800 °C老化后的长期热暴露响应，特别关注晶粒演变、η相关相的析出行为以及室温拉伸性能的恶化情况。
部分内容摘录
粉末原料和样品制备
气雾化GTD222合金粉末的化学成分列于表1中，采用光学发射光谱仪（Oxford Instruments, PMI-Master Smart）进行测量。根据粉末规格，颗粒尺寸主要集中在15至50 μm之间。如图1a所示，GTD222粉末主要为球形，但也观察到少量卫星颗粒和不规则颗粒。提供的微米级TaC颗粒（纯度：>99.5%），尺寸范围为1至5 μm
微观结构观察
图4中的SEM显微图展示了LPBF制备的GTD222合金和TaC/GTD222 NMC的典型微观结构，其特征是细小的胞状亚结构与柱状延长凝固亚结构[17]。胞状亚结构主要出现在熔池边界附近（图4a和d中的虚线所示），而柱状延长亚结构则更常见于熔池内部
结论
本研究通过激光粉末床熔融（LPBF）技术制备了GTD222合金和添加了5 wt.% TaC的复合材料，并系统研究了它们在长期热暴露后的微观结构演变及室温拉伸性能。主要结论如下：
- (1)
在原始状态下，添加了5 wt.% TaC的复合材料具有更细的晶粒结构、更细小的胞状亚结构以及更高的室温强度，但延展性较低
作者贡献声明
Guoxin Lu：撰写 – 审稿与编辑，概念构思。Shuang Gao：撰写 – 初稿撰写，实验研究。Ziang Li：撰写 – 初稿撰写，方法学研究，实验研究，概念构思。Luqing Cui：撰写 – 审稿与编辑。Qi Li：撰写 – 审稿与编辑
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
