基于响应面方法研究粉末床熔融激光焊接35Cr45NiNb合金的原位γ′相析出及其优异的力学性能

《Journal of Alloys and Compounds》：In-Situ γ′ Phase Precipitation and Superior Mechanical Properties of Powder Bed Fusion-Laser Beam Manufactured 35Cr45NiNb Alloy via Response Surface Methodology

　　范宇蒙|傅冉冉|刘俊晓|周俊瑞|张晓宇|张庆宇|刘英磊|青永全|刘玉杰|刘长生
中国沈阳110819，东北大学，教育部材料各向异性与织构重点实验室

**摘要**
35Cr45NiNb合金因其优异的高温强度和抗氧化性能，成为乙烯裂解炉管的关键材料。然而，传统离心铸造方法会导致微观结构粗糙，且难以实现复杂的几何形状。本研究通过粉末床熔融-激光束焊接技术成功制备出近乎全密的35Cr45NiNb部件，其中工艺参数是通过响应面法优化确定的。最优加工参数为：激光功率245瓦特，扫描速度1125毫米/秒，扫描间距0.11毫米，由此得到的部件相对密度高达99.996%，且无可见裂纹或连通气孔。其微观结构由细小的晶胞亚晶和柱状枝晶组成，亚晶边界存在元素偏聚现象以及高密度的位错缠结。采用67°层间旋转扫描策略可有效抑制外延<001>取向，从而形成由细小等轴晶和拉长柱状晶构成的非均匀晶粒结构。此外，极快的冷却速率促使晶界区域原位析出纳米级的颗粒状和链状Laves相，这一特性在传统铸造产品中并不存在。该合金表现出出色的强度与延性平衡，屈服强度达1028兆帕，抗拉强度达1322兆帕，延伸率为9.0%，显微硬度为380.3 HV0.2，远超传统铸造合金的性能（分别为≥240兆帕、≥440兆帕、≥4%）。其优异性能源于晶粒细化、高位错密度以及γ′相析出强化效应的协同作用。本研究为高性能乙烯裂解炉管部件的增材制造提供了可行路径。

**引言**
乙烯是石化工业的核心产品，约为四分之三的石化产品都以乙烯为原料，其产量往往被视为一个国家石化产业发展水平的标志。随着乙烯工业的不断进步，人们对生产设备的性能、效率及可靠性提出了更严格的要求。作为乙烯生产的核心设备，裂解炉在低应力（<1兆帕）和极高温度（900-1100摄氏度）环境下运行，同时还要承受碳化、氧化和热疲劳等作用[1]、[2]。因此，裂解炉管常常因微观结构退化、结焦和蠕变等累积损伤而在设计使用寿命之前就发生故障[3]、[4]、[5]、[6]。如此恶劣的工作环境要求材料具备极高的高温性能。为延长裂解炉管的使用寿命并减少过早失效带来的经济损失，人们不断致力于开发新型合金。通过成分优化，材料的高温强度、抗碳化能力和抗氧化能力得到了显著提升[7]、[8]。20世纪90年代，研究人员在传统合金体系的基础上，大幅提高铬和镍的含量以增强抗氧化性，同时引入铌、钛和锆等微合金元素进一步提升高温强度，从而诞生了35Cr45NiNb合金[9]。该合金能够承受高达1100摄氏度的温度，具有显著提升的高温性能以及优异的抗碳化和抗氧化能力，因此成为目前应用最广泛的裂解炉管材料之一[10]。

35Cr45NiNb合金通常通过离心铸造方法生产[11]、[12]。虽然离心铸造在制造裂解炉管方面具有较高的生产效率和较低的成本，但在制作复杂形状的部件时存在固有缺陷。此外，采用此方法制成的铸件往往内孔直径不准确，表面粗糙度较高，且需要大量的加工余量，这在生产过程中会带来巨大的能源消耗和严重的环境污染[13]。Whittaker等人对离心铸造件的蠕变断裂行为进行了分析，发现变形主要发生在晶界区域，而空洞最终会导致断裂[14]。此外，离心铸造的裂解炉管还存在固有的气孔问题，这些微小气孔会在短时间内聚合形成微裂纹，从而缩短铸件的使用寿命[13]。

近年来，粉末床熔融-激光束焊接技术作为一种快速发展的增材制造技术逐渐崭露头角。该技术以高能激光束为热源，按照3D建模生成的路径逐层扫描金属粉末层。通过快速熔化及随后的凝固过程，金属粉末可实现牢固的冶金结合，最终得到接近成品形状的部件[15]、[16]。通过该技术制造的金属零件具有极高的相对密度和机械强度，同时在尺寸精度和最小可成型特征尺寸方面也表现优异。另一种主流的金属增材制造技术是定向能量沉积技术，它采用连续的涂层沉积成型方式，并同步输送粉末或金属丝，其与粉末床熔融-激光束焊接技术在加工方式上存在显著差异。定向能量沉积技术具有较高的沉积效率，不受部件尺寸限制，且热输入适中，更适合快速制造和修复大型高温合金部件。不过，该技术的尺寸精度较低，表面质量较差，无法制造包含复杂内部腔体的精密结构，也无法满足高精度部件的使用要求。与定向能量沉积技术相比，粉末床熔融-激光束焊接技术具有更高的尺寸精度和更细腻的表面质量，这对于制造具有复杂内部结构的部件非常重要，例如那些带有复杂内部翅片或旋流器的裂解炉管，这类结构有助于提升传热效率并减少结焦现象，而用定向能量沉积技术则很难实现[17]。尽管具有这些优势，但将粉末床熔融-激光束焊接技术应用于35Cr45NiNb合金仍面临诸多挑战。分层加工过程中产生的巨大热梯度会导致较大的残余应力，进而引发裂纹和尺寸不稳定[18]。快速凝固还会形成与传统铸造产品不同的非平衡微观结构，从而影响碳化物的演变和高温性能[19]。此外，加工过程中产生的微孔和未熔合气孔等问题也可能在部件使用过程中成为裂纹的起始点[20]。因此，了解这些工艺、结构与性能之间的关联对于可靠地应用粉末床熔融-激光束焊接技术制造的35Cr45NiNb部件至关重要。

响应面法可通过优化工艺参数、分析多变量之间的累积效应，以及利用二次模型识别出能够体现线性与非线性相互作用的最佳条件，从而提升产品质量[21]、[22]。目前，该技术已被广泛用于优化粉末床熔融-激光束焊接技术制造的部件的质量[23]。Miranda等人成功将该方法应用于通过粉末床熔融-激光束焊接技术优化Ti6Al4V薄壁部件的微观结构制备[24]。Zeng等人[25]提出了一种将响应面法与非支配排序遗传算法III相结合的混合方法，旨在同时最大化超合金的屈服强度、抗拉强度和延伸率。目前，针对粉末床熔融-激光束焊接技术制造的35Cr45NiNb合金的工艺优化尚未成熟，因此亟需采取综合措施来减少缺陷产生、调控微观结构并提升整体性能[26]。

在本研究中，通过优化工艺参数，利用粉末床熔融-激光束焊接技术制备出了高密度的35Cr45NiNb样品。最优加工参数下得到的部件几乎为全密结构，相对密度高达99.996%。粉末床熔融-激光束焊接技术特有的极快冷却速率促使链状Laves相在原位析出，而这种微观结构在传统离心铸造产品中是完全不存在的。因此，该合金的屈服强度达到1028兆帕，抗拉强度达到1322兆帕，延伸率为9.0%，显微硬度为380.3 HV，其性能远远优于传统铸造合金（分别为≥240兆帕、≥440兆帕、≥4%）。本研究为高性能乙烯裂解炉管部件的增材制造奠定了重要基础。

**材料与样品制备**
本研究以气雾化处理的35Cr45NiNb预合金粉末为原材料，其化学成分详见表1。图1(a)和(b)展示了该粉末的微观形态和粒度分布情况。大多数粉末颗粒呈球形或近球形，球形度高达96%，另有少量颗粒表面附着有卫星状颗粒。颗粒尺寸的分析是通过Malvern Masterizer-2000激光衍射仪完成的。

**工艺优化与致密化行为**
35Cr45NiNb合金在粉末床熔融-激光束焊接过程中的致密化行为主要受体积能量密度Ev的影响，其计算公式为：Ev=Pv·h·d，其中d表示层厚。通过系统调整激光功率(P)、扫描速度(v)和扫描间距(h)，研究了不同能量输入条件下微观结构缺陷的发展规律。单因素试验和正交试验的详细结果见补充材料。

**结论**
本研究系统研究了通过粉末床熔融-激光束焊接技术制造的35Cr45NiNb合金的致密化行为、微观结构演变以及强化增韧机制。主要结论如下：
(1) 通过响应面法，成功利用粉末床熔融-激光束焊接技术制备出了高密度的35Cr45NiNb合金。最优加工参数为激光功率245瓦特，扫描速度1125毫米/秒，扫描间距0.11毫米，所得部件几乎为全密结构，相对密度高达99.996%。

**CRediT作者贡献声明**
周俊瑞：可视化、方法学、数据整理。张晓宇：可视化、验证、数据整理。张庆宇：资源协调、方法学、资金获取、数据整理。刘英磊：可视化、监督、数据整理。青永全：验证、监督、数据整理。刘玉杰：验证、监督。刘长生：写作——审稿与编辑、写作——初稿撰写、监督、资源协调、方法学、研究实施、资金获取、数据整理。

**利益冲突声明**
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

**致谢**
特别感谢东北大学分析测试中心在实验分析方面提供的支持。