采用激光粉末床熔融技术制备的HK30Nb钢在蠕变试验过程中的微观结构演变

《Materials Science and Engineering: A》:Microstructure evolution during creep testing of HK30Nb Steel Fabricated by Laser Powder Bed Fusion

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年08月23日 来源:Materials Science and Engineering: A 6.1

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  1. 摘要通过激光粉末床熔融(LPBF)技术制备了高温度铸造HK30Nb(Fe-25Cr-20Ni-1.4Nb-0.2C)合金,并在700至800°C的条件下对其进行了原态打印后的蠕变测试。在700和800°C长期测试过程中,合金的微观结构发生了显著变化,形成了粗大的富Cr碳化物

  

1. 摘要

通过激光粉末床熔融(LPBF)技术制备了高温度铸造HK30Nb(Fe-25Cr-20Ni-1.4Nb-0.2C)合金,并在700至800°C的条件下对其进行了原态打印后的蠕变测试。在700和800°C长期测试过程中,合金的微观结构发生了显著变化,形成了粗大的富Cr碳化物、σ相沉淀物以及晶界处的蠕变腔洞。在700°C时,晶内观察到均匀分布的针状富Cr沉淀物;而在800°C时则表现为不均匀分布。透射电子显微镜显示,经过蠕变处理后,合金中形成了高密度的稳定NbC和G相纳米沉淀物,这可能是LPBF HK30Nb比其铸造对应物具有更优异蠕变寿命的原因。沿构建方向伸长的晶粒结构导致垂直于构建方向的蠕变强度降低,因为蠕变损伤机制发生了变化。富Cr、NbC和G相沉淀物的形成与原态打印合金的细胞状结构中的初始化学偏聚有关。

引言

增材制造(AM)技术的出现使得制造复杂的接近净成型部件成为可能,同时减少了机械加工、焊接和钎焊的需求[1]。近期研究强调了AM技术广泛采用对供应链和全球经济的潜在影响[2]。AM的另一个独特优势是在打印过程中产生了大量可被先进数据分析技术处理的信息,从而加速了零件的验证和认证过程[3, 4, 5]。此外,基于熔融的AM技术由于快速冷却速率,常常产生独特的非平衡微观结构,可能导致其力学性能优于锻造或铸造材料[6, 7, 8]。特别是通过激光粉末床熔融(LPBF)制造的不锈钢(如316L(Fe-18Cr-12Ni-2.5Mo)中的细胞状结构,其晶壁内具有高达约1×10^15 m^-2的位错密度[9],这种结构与室温下的优异延展性和强度有关[9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16]。
AM技术的一个关键缺点是目前主要依赖少数商用粉末和合金,尤其是在高温不锈钢领域。对于需要在约600-800°C下使用的高强度应用,通常考虑采用航空航天工业中常见的镍基合金,例如625[17, 18, 718[19, 20, 21]、Hastelloy X[22, 23]和Haynes 282[24, 25];即便对于这些合金,现有的蠕变数据也非常有限[19, 21, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34]。相比之下,有更多种形式的高温钢材可供选择,包括经济实惠的奥氏体不锈钢,如310或347型钢、Haynes 120等,其镍含量介于9%到35%之间。
最近关于通过LPBF制造的耐热HK30Nb合金(Fe-25Cr-20Ni-Nb)的研究表明,其20-900°C范围内的抗拉强度优于铸造HK30Nb[8]。这种铸造合金特别适用于制造高温汽车部件(如涡轮增压器[35, 36, 37]),因为这些部件的蠕变和抗氧化性能对其寿命至关重要,但镍基合金的成本可能较高。与LPBF 316L相比,LPBF HK30Nb的一个关键改进在于其细胞结构中存在细小的NbC碳化物,从而在高温下提高了细胞稳定性[14, 15, 16, 38, 39, 40, 41],这是通过位错钉扎效应实现的。同样,Mantri等人[42]研究了LPBF 709(一种对核工业极具吸引力的钢材),发现在775°C下退火10小时后,其内部形成了大量的富Nb和Ti的MX沉淀物。像NbC、Nb(C,N)或TiC这样的纳米级MX沉淀物的稳定性是先进奥氏体钢(如310HCbN、HR3C、709或CF8C+)蠕变强度的关键[43, 44, 45, 46, 47, 48, 49]。因此,本文旨在表征LPBF HK30Nb在蠕变测试过程中的微观结构演变,并讨论700-800°C下的蠕变失效机制。

章节片段

材料与试样加工

使用Renishaw AM250设备制备了LPBF HK30Nb材料,打印参数总结在表1中。确定最佳参数并获得99%密度的材料的方法已在其他文献中描述[8]。用于加工试样的构建过程如图1a所示,包括垂直圆柱棒、大型矩形块和薄板。如图1b所示,所制备的蠕变试样为SS3型,标距长度为7.62毫米,截面面积为2×2平方毫米。

蠕变结果

蠕变结果汇总在表3中,并利用以下L Larson Miller参数(LMP)关系式生成了图2中的Larson Miller图[51]。其中T表示开尔文温度,t_r表示破裂时间(以小时计)。
与铸造HK30Nb的蠕变数据相比,LPBF HK30Nb合金在沿构建方向的蠕变寿命更长。合金蠕变寿命的降低和蠕变的增加...

微观结构演变

如图3所示,先前研究[8]报告称,在原态打印的LPBF HK30Nb中,晶界处存在小型球形富Nb碳化物,晶壁内也存在大量纳米级富Nb碳化物。在700°C下暴露约1,500-2,800小时或在800°C下暴露约200-600小时后,晶壁中也观察到了Cr的偏聚。这些明显的微观结构变化与蠕变测试样品中的微米级富Cr沉淀物的形成有关

结论

  • •
    在700-800°C的蠕变测试过程中,观察到LPBF HK30Nb合金(Fe-25Cr-20Ni-1.4Nb-0.2C)的微观结构发生了显著演变。在晶界处发现了蠕变腔洞和粗大的富Cr沉淀物,这些沉淀物被鉴定为M23C6碳化物或σ相;而在晶内则存在针状富Cr沉淀物。透射电子显微镜证实,打印过程中或高温短时暴露后形成的NbC和G相纳米沉淀物是稳定的。

CRediT作者贡献声明

Sebastien Dryepondt:撰写——初稿、项目管理、数据分析、概念构思。Rangasayee Kannan:撰写——审稿与编辑、软件开发、数据分析。Kinga A. Unocic:撰写——初稿、数据分析。Patxi Fernandez-Zelaia:撰写——审稿与编辑、数据分析。Peeyush Nandwana:撰写——审稿与编辑、数据分析。

数据可用性

本研究的数据可向相应作者索取。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

7. 致谢

作者感谢D. Newberry、T. Lowe和K. Carver在实验工作中提供的帮助。同时感谢H. Hyer和C. Massey对稿件的详细意见。本研究得到了美国能源部(Department of Energy)、能源效率与可再生能源办公室(Office of Energy Efficiency and Renewable Energy,EERE)、车辆技术办公室(Vehicle Technologies Office)以及核能办公室(Office of Nuclear Energy)的先进材料与制造技术项目的资助。
Sebastien Dryepondt|Kinga A. Unocic|Rangasayee Kannan|Peeyush Nandwana|Patxi Fernandez-Zelaia
橡树岭国家实验室,橡树岭,田纳西州,37831,美国
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