金属增材制造，也称为金属3D打印技术，在复杂的整体部件制造、轻量化工程和材料利用率方面与传统的减材制造技术相比具有巨大优势。然而，这种新技术只在少数商用合金如316L、IN718、Ti6Al4V和AlSi10Mg中得到实际应用。要实现金属增材制造在合金领域的广泛应用，首先要克服的挑战就是无缺陷组件的制造。大多数合金无法适应激光增材制造过程中快速冷却导致的巨大温度梯度，即使是一些具有良好焊接性的合金，如Hastelloy X和Haynes 230，也会在热应力下表现出严重开裂。这种裂纹主要以热裂纹为代表，在铸造中也称为凝固裂纹，一般发生在熔池凝固的末期。通常认为热裂纹是由元素偏析引起的，元素偏析导致合金凝固范围扩大，进而形成阻碍枝晶结合的液膜，而液膜与合金冷却收缩过程产生的热应力之间存在协同效应，进一步促进应力集中，最终导致热裂纹的产生。

避免裂纹的形成以确保打印性能和良好稳定性，一直是合金增材制造领域的研究热点。以往的研究大多集中在降低液膜的形成率和缩小合金的凝固范围，本工作从偏析元素入手，创新地在凝固末期将液膜均匀引入枝晶间，实现液体回填，释放残余应力，缓解应力集中，消除热裂纹。以Ni基高温合金为例，在激光增材制造过程中，将Zr引入Ni基高温合金中，形成连续金属间化合物Ni11Zr9，当Zr含量达到1 wt%时，成功打印出无裂纹的Haynes 230合金。令人惊喜的是，这种连续的Ni11Zr9网状层还被发现能发挥“骨架”作用，显著提高了打印样品的屈服强度。而经过适当的热处理后，经Zr改性的Haynes 230合金，更表现出大幅优于改性前合金的强塑性。这些发现为激光增材制造无裂纹且具有优异力学性能的合金提供了一条新的合金设计思路。

天津大学刘永长教授团队将此研究成果以题 “New alloy design approach to inhibiting hot cracking in laser additive manufactured nickel-based superalloys” 发表在国际著名期刊Acta Materialia上。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118736

Graphical abstract

图1. (a) LPBF制造的原始（0 wt% Zr）和Zr改性Haynes 230（1 wt% Zr）样品沿打印方向（BD）的OM图像。(b) 断裂表面的晶胞特征证实了原始样品中的热裂纹。原始Haynes 230样品的显微结构特征：(c) EBSD反极图(IPF)图，沿BD，显示裂纹沿柱状晶界扩展，如箭头所示；(d) 聚集在晶界的纳米粒子；(g) 明场TEM 图像；(h) Ni2W4的SAED图C粒子显示在(g)中。Zr改性的Haynes 230样品的微观结构特征：(e) 连续网络沉淀聚集在晶界；(f) 沿BD的EBSD IPF图；(i) 凝固细胞的明场TEM图像；(j)-(i) 所示的金属间化合物Ni11Zr9相的SAED图案。

图2. LPBF制造的Haynes 230样品的OM和SEM图像：(a, e) 0 wt%Zr；(b, f) 0.5 wt.% Zr；(c, g) 1 wt% Zr和(d, h) 1.5 wt% Zr。

在这项工作中，创新地采用偏析工程在凝固末期引入连续均匀的枝晶间液膜，并消除激光增材制造过程中的热裂纹。该策略本质上是利用镍基高温合金中Zr低分配系数的特点，在晶胞和晶界处形成连续稳定的液膜，实现液体回填以缓解应力集中。评估了该工艺消除热裂纹的能力，并研究了印刷样品的晶胞和晶界处网络金属间化合物的形成。随后，金属间化合物的溶解，晶间碳化物的细化和转变，系统地表征了热处理过程中的M6C-to-MC。最后，测试最终样品的力学性能，并将其与先前报告的样品进行比较。

图3. (a, b) SEM图像分别展示了原始和Zr改性Haynes 230样品的热处理微结构。(c) TEM图像显示纳米沉淀物均匀分布。(d) TEM图像显示了(a)中的详细微观结构，其中M6C沉淀物聚集在晶界。(e) Ni、W、Cr、Zr、Mo和C的EDS图。(f)是(c)中显示ZrC颗粒的SAED

图4. 经3D打印和热处理的Zr改性和原始Haynes 230样品的应力-应变曲线。(b) LPBF制造的Haynes 230、传统方法和本研究所用方法