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。