激光粉末床熔融成形GH3535高温合金的长期热老化行为与力学性能

《Materials Science and Engineering: A》：Long-term thermal aging behavior and mechanical property in a laser powder bed fusion fabricated GH3535 superalloy

　　

摘要

GH3535合金是钍基熔盐堆（TMSR）的领先结构材料候选者，其中长期热稳定性至关重要。增材制造为制造TMSR中的复杂部件提供了一条有前景的途径。本文研究了增材制造（AM）GH3535合金在600-1000 °C下热老化长达1000 h过程中的组织演变和拉伸性能，并与传统制造（CM）GH3535进行了比较。位错胞状结构在600 °C下老化长达500 h内保持稳定，但在700-800 °C下短期暴露后逐渐回复并消失。老化过程中，析出相优先沿晶界和胞界形成，从细小颗粒演变为块状或片状形貌。在构建态下，AM GH3535表现出比锻造对应物更高的屈服强度（约660 MPa）但较低的延展性（约23.2%）。随着老化温度和时间的增加，屈服强度逐渐降低，在1000 °C下老化100 h后降至约416 MPa，而均匀延伸率增加到约37.2%。这些变化主要归因于胞状结构回复、元素偏析减少和碳化物粗化。本工作揭示了AM GH3535在热老化过程中的组织-性能关系，为AM部件在TMSR中的高温部署提供了指导。

引言

GH3535合金是一种高性能Ni-Mo-Cr高温合金，因其优异的机械性能和耐腐蚀性而开发用于钍基熔盐堆（TMSR），是堆芯内部组件的主要候选材料[[1], [2], [3], [4]]。然而，此类镍基高温合金的传统加工路线在制造几何复杂部件方面固有地受到限制，因为很难同时实现结构复杂性、制造效率和成本效益[5]。相比之下，增材制造，特别是激光粉末床熔融（LPBF），提供了增强的设计自由度和成形精度，能够高效制造复杂结构部件。因此，它已成为先进核能系统中高性能合金的重要制造路线[[6], [7], [8]]。

LPBF工艺固有的快速熔炼-凝固循环和高度非平衡凝固条件导致增材制造（AM）GH3535的组织特征与传统铸造或锻造对应物不同。这些特征通常包括以位错为主的高位错密度胞状结构，以及胞界处明显的元素偏析。与传统加工合金相比，LPBF过程中形成的非平衡组织预计将表现出显著不同的热稳定性[[9], [10], [11], [12]]。在长时间热暴露过程中，它更可能通过位错回复、偏析元素重新分布以及析出相或次生相的粗化来演变，最终可能导致机械性能退化[11,13]。

在传统制造的GH3535合金中，长时间热暴露导致碳化物演变，显著影响其高温性能。先前的研究表明，在固溶处理状态下以M₆C碳化物为主，而在700 °C暴露期间细密的M₁₂C碳化物优先沿晶界析出[14]。这些新形成的碳化物与原始M₆C碳化物共存并增强应力断裂抗力，尽管裂纹仍可能在M₆C/基体界面处萌生[15]。随着温度升高和暴露时间延长，碳化物分布逐渐稳定，表明碳化物演变是控制GH3535合金长期性能的关键因素。

近期研究表明，增材制造GH3535合金的组织结构和机械性能强烈依赖于制造工艺和后续热处理。Sun等人[16]研究了LPBF GH3535高温合金，表明可以实现近全密度材料，而通过热等静压（HIP）结合固溶热处理的后处理显著提高了室温和700 °C下的延展性。更重要的是，他们发现热处理后的合金表现出增强的氦耐受性和降低的辐照硬化，这归因于大量纳米级碳化物的存在。在一项相关研究中，Wang等人[17]检查了由电弧增材制造生产的GH3535，报告了由胞状结构、粗大柱状枝晶和枝晶间碳化物组成的特征非均质组织。他们的结果揭示了沿构建方向的明显性能梯度，在较高的沉积高度处晶粒粗化、织构增强、位错密度和硬度降低。这些发现表明AM GH3535的最终性能受元素偏析、位错结构演变、碳化物析出以及与热历史相关的组织非均质性的影响。其他LPBF制造的镍基高温合金，如哈氏合金X和因科尼尔718，也报告了在热暴露过程中出现了类似的组织不稳定性。在热暴露过程中，这些LPBF诱导的亚稳特征经历回复、溶解、重新分布和次生相析出，导致机械性能的显著演变。在LPBF哈氏合金X中，长时间高温暴露促进碳化物的析出和粗化，特别是M₆C/M₂₃C₆碳化物，这些强烈影响强度-延展性平衡[18]。在LPBF因科尼尔718中，热老化诱导偏析诱导的Laves相演变和γ′/γ″强化相析出，伴随着晶粒结构和位错构型的变化，从而控制其长期机械性能[19]。

尽管取得了这些进展，目前对AM GH3535的理解仍然主要局限于短期热处理或工艺优化，对其在高温条件下长期热稳定性的系统研究仍然缺乏。本研究系统地考察了AM合金在长时间热老化（600至1000 °C，长达1000 h）过程中的热稳定性和组织演变，以及相应的机械性能变化。同时研究了传统制造（CM）GH3535以进行比较，评估AM GH3535和CM GH3535之间组织演变和机械行为的差异。

章节片段

材料

本研究所用气雾化GH3535粉末由上海应用物理研究所提供，粒径范围为15-53 μm。其详细化学成分见表1。所有样品均使用EOS M290系统制造。制造前，基板预热至80 °C。在整个打印过程中，构建室由高纯度氩气保护，氧含量维持在0.1%以下。

为了获得最佳工艺参数并

GH3535的可打印性

根据光学显微镜（OM）图像分析评估了不同工艺参数下制造样品的相对密度。如图1(a)所示，OM图像以体积能量密度（VED）为横轴，激光功率为纵轴。观察到典型的制造缺陷，包括未熔合（LOF）缺陷（黄色箭头指示）、匙孔（蓝色箭头）和微裂纹（黑色箭头）。相对密度较高的样品（相对密度 > 99.7%）为

900 °C老化100 h后亚晶的形成

之前对600-800 °C范围内位错胞稳定性的分析表明，LPBF加工材料中的胞状结构本质上由高密度位错墙包围的亚结构单元组成。我们对在900 °C下老化100 h的样品的TEM观察（如图12所示）揭示原始胞状结构的大部分已消失；然而，识别出少量残余亚结构，具有相对狭窄且定义明确的边界

结论

本研究系统地研究了AM GH3535在600-1000 °C下热老化长达1000 h过程中的组织演变和机械性能，并进一步阐明了组织演变与机械性能之间的关系。主要结论总结如下。

• (1)
  AM GH3535在激光功率314 W和体积能量密度高于45 J/mm³时表现出相对可加工窗口，在此条件下制造的样品实现了相对密度

CRediT作者贡献声明

Jinhui Fan（樊金辉）：撰写——初稿，可视化，调查研究，正式分析。Huayan Hu（胡慧安）：撰写——审阅与编辑，调查研究。He Chu（储贺）：撰写——审阅与编辑，调查研究。Yu Huang（黄宇）：撰写——审阅与编辑，调查研究。Tengyan Hu（胡腾燕）：撰写——审阅与编辑，调查研究。Miao Song（宋苗）：撰写——审阅与编辑，调查研究，概念化。Wei Yu（于伟）：撰写——审阅与编辑，调查研究，正式分析，概念化。Nan Qian（钱楠）：撰写——审阅与编辑，

利益冲突声明

作者声明他们不存在任何可能影响本文所报告工作的已知的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到上海应用物理研究所的支持。我们感谢上海交通大学仪器分析中心。

樊金辉|胡慧安|储贺|黄宇|胡腾燕|宋苗|于伟|钱楠

江南大学机械工程学院，无锡，214122，中国