電子束選區(qū)熔化成形Nb521合金微觀組織與性能分析

李會霞，朱紀(jì)磊，車倩穎，趙 培，趙小歡，弋 陽，劉 彬

(1.西安賽隆金屬材料有限責(zé)任公司, 陜西 西安 710018)(2.中南大學(xué) 粉末冶金國家重點實驗室，湖南 長沙 410083)

Nb521合金是一種新型鈮鎢合金，名義成分為Nb-5W-2Mo-1Zr，具有熔點高(2 630 ℃)、密度適中(8.9 g/cm3)、高溫強度高(1 600 ℃，Rm≥100 MPa)、加工及焊接性能優(yōu)良等優(yōu)點[1,2]，有望取代C103(Nb-10Hf-1Ti)合金成為航空航天、核工業(yè)等行業(yè)中廣泛應(yīng)用的新一代高溫結(jié)構(gòu)材料[3]。合金中添加Mo、W元素進行固溶強化，提高合金的高溫和室溫強度，添加活性元素Zr改善合金抗氧化性和耐蝕性。Zr還可與間隙元素碳、氧生成碳化物、氧化物，起到凈化晶界或沉淀強化的作用[4]。

電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)(selective electron beam melting，簡稱SEBM)作為一項新型金屬增材制造技術(shù)，具有能量利用率高、成形效率高、成形應(yīng)力低、真空潔凈等優(yōu)點，解決了兼顧復(fù)雜形狀和高性能金屬構(gòu)件快速制造的技術(shù)難題，在“高”、“精”、“尖”稀有難熔金屬復(fù)雜精密構(gòu)件的快速研制、結(jié)構(gòu)功能一體化等方面均表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢[5-7]。目前電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)已經(jīng)被廣泛用于鈦及鈦合金[8,9]、不銹鋼[10]、鎢[11]、鉭[12]、TiAl金屬間化合物[13，14]等脆性、難熔、高活性金屬材料的制備，但是在成形鈮及鈮合金方面，相關(guān)報道仍較少。Terrazas等人[15]采用電子束選區(qū)熔化成形的方法制備出力學(xué)性能良好的純鈮金屬樣塊，樣塊致密度達到99.7%，此外作者還證明了SEBM制備超導(dǎo)射頻腔零件的可行性。本研究探索了Nb521合金的SEBM成形工藝，對其致密化過程進行了表征，并對所制備的Nb521合金樣品的顯微組織及顯微硬度分布特點進行了詳細(xì)分析，初步掌握了利用電子束增材制造技術(shù)制備的鈮鎢合金的性能，為拓寬Nb521合金在復(fù)雜精密零件方面的應(yīng)用開辟新的途徑。

1 實 驗

1.1 實驗材料

實驗材料為西安賽隆金屬材料有限責(zé)任公司(以下簡稱賽隆公司)生產(chǎn)的Nb521粉末，其形貌如圖1所示。該粉末表面光潔，衛(wèi)星粉少，球形度>90%，粒徑在53～150 μm之間的粉末占比>90%，流動性為12.1 s/50 g，松裝密度為5.2 g/cm3，振實密度為5.75 g/cm3。表1為Nb521粉末的化學(xué)成分，粉末中雜質(zhì)元素C、N、O、H含量較低，O含量為0.022%。

圖1 等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法制備的Nb521粉末形貌

表1 Nb521粉末化學(xué)成分(w/%)

1.2 實驗過程

采用賽隆公司自主研發(fā)的S2型粉末床電子束3D打印設(shè)備進行樣品成形。該設(shè)備主要由電器控制柜、電子槍和電源、真空成形室、送鋪粉機構(gòu)、真空系統(tǒng)等組成，最大成形尺寸200 mm×200 mm，最大熔化電流50 mA，最大跳轉(zhuǎn)速度8 000 m/s，加速電壓60 kV，電子束束斑直徑≤200 μm，零件成形精度±0.3 mm。設(shè)備打印原理如圖2所示。

圖2 電子束選區(qū)熔化成形原理示意圖

電子束選區(qū)熔化成形過程：①采用建模軟件繪制打印樣塊模型，樣塊尺寸為12 mm×12 mm×10 mm，拉伸樣尺寸為12 mm×70 mm×12 mm；②利用賽隆公司自主研發(fā)的SL EBM BuildPrepare軟件進行切片及路徑規(guī)劃，層厚設(shè)置為0.05 mm，熔化間距設(shè)置為0.1 mm，得到二維截面數(shù)據(jù)及路徑規(guī)劃數(shù)據(jù)；③將模擬數(shù)據(jù)導(dǎo)入打印機中，設(shè)置工藝參數(shù)；④采用電子束掃描預(yù)熱底板(700～900 ℃)；⑤成形過程中為維持底板工作溫度，保證打印過程粉床穩(wěn)定性，對鋪展的粉末進行預(yù)熱；⑥打印一層，底板下降一層的高度，取粉器進行鋪粉，電子束再進行預(yù)熱、選區(qū)熔化，直至整個零件打印完畢。為降低打印件性能的方向性差異以及減小成形過程中溫度場分布的不均勻性，相鄰兩個層面掃描路徑旋轉(zhuǎn)90°。打印過程中，底板溫度前期稍有上升，最終趨于穩(wěn)定，底板預(yù)熱及打印過程中的溫度變化曲線如圖3所示。

圖3 電子束選區(qū)熔化成形過程中底板溫度變化曲線

1.3 性能表征

成形Nb521合金樣品經(jīng)研磨、拋光后，用HCl+HNO3+HF混合酸液(體積比2∶2∶1)腐蝕，采用金相顯微鏡觀察試樣橫向和縱向顯微組織。采用化學(xué)分析法測定成形樣品的化學(xué)成分。采用排水法測量樣品的密度。通過X射線衍射儀分析樣品的物相結(jié)構(gòu)。采用Instron-5982萬能試驗機測定成形樣品的室溫拉伸性能。去除成形樣品外表疏松層(約0.7 mm)，表面經(jīng)打磨、拋光處理后，采用顯微硬度儀測量樣品沿堆積高度方向和堆積層面的顯微硬度，測試點間距為1 mm，載荷1.96 N，加載時間15 s。圖4為顯微硬度測量點示意圖。

圖4 顯微硬度測試點示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 熔化工藝對致密化的影響

以線能量密度衡量粉末接收的電子束能量，計算式如式(1)所示。

E=IU/(vht)

(1)

式中:I為熔化電流；U為加速電壓，60 kV；v為熔化速度；h為熔化間距；t為鋪粉層厚。本研究中保持層厚及熔化間距不變，Nb521合金成形質(zhì)量主要由熔化電流與熔化速度兩個參數(shù)決定。圖5為不同電子束能量密度下Nb521合金樣品的宏觀照片及內(nèi)部缺陷形貌。從圖5可以看出，隨著電子束能量密度的增加，打印樣品熔化質(zhì)量從欠熔到良好，再到過熔狀態(tài)。欠熔狀態(tài)樣品內(nèi)部因熔池深度有限，層間結(jié)合不良，導(dǎo)致有較多沿層面分布的縫狀缺陷；過熔狀態(tài)下，能量輸入過高，容易出現(xiàn)局部過熱，熔池穩(wěn)定性欠佳，易產(chǎn)生縮孔等缺陷。熔池能量密度為340 J/mm3時，具有最佳的熔合質(zhì)量，視野范圍內(nèi)未見裂紋、熔合不良等缺陷。

圖5 不同電子束能量密度下Nb521合金樣品的宏觀照片及內(nèi)部缺陷形貌

結(jié)合以上成形質(zhì)量分析，形成如圖6所示的Nb521合金成形工藝窗口。在熔化速度0.3～0.35 m/s，熔化電流8～9 mA時，熔合質(zhì)量較佳；熔化電流10～13 mA且速度1.0～2.0 m/s時，熔合質(zhì)量欠佳；熔化電流12～13 mA, 速度0.3 m/s時，出現(xiàn)了過熔、變形翹曲的現(xiàn)象。采用排水法測量最佳工藝下成形樣品的密度為8.78～8.79 g/cm3，達到航天用鈮鎢合金棒材的密度要求(8.65～9.00 g/cm3)[16]。

圖6 SEBM成形Nb521合金工藝窗口

2.2 化學(xué)成分

表2為Nb521合金樣品的化學(xué)成分。與表1中Nb521粉末化學(xué)成分相比，成形件中W、Mo、Zr合金元素含量與粉末相比無明顯變化。由于電子束成形環(huán)境潔凈，成形樣品中C、N含量均明顯降低，H含量無明顯變化，氧含量僅增加0.005%。

表2 Nb521合金成形件化學(xué)成分(w/%)

2.3 顯微組織

圖7是電子束選區(qū)熔化成形Nb521合金樣品縱向截面(即沿沉積方向)的顯微組織。SEBM成形樣品的晶粒呈由底部生長的柱狀晶，柱狀晶幾乎貫穿整個沉積高度方向，柱狀晶的寬度在5～100 μm之間不等。圖7中層與層之間的層帶結(jié)構(gòu)明顯，該層帶結(jié)構(gòu)是熔池與已凝固層的界面，為道次/層次的形成痕跡。

圖7 Nb521合金樣品縱向截面顯微組織

圖8a為成形樣品垂直于沉積方向的沉積層面顯微組織。圖8a中除可見的大尺寸柱狀晶外，還不均勻分布著少量等軸晶，晶粒尺寸在20～100 μm之間不等。針對這一現(xiàn)象，對成形樣塊的邊緣部分進行了顯微組織分析，發(fā)現(xiàn)靠近邊緣部分同樣為等軸晶組織(圖8b)。這種現(xiàn)象可能與邊部熱量擴散快，溫度梯度大，晶粒沒有繼續(xù)長大的條件有關(guān)，而存在于樣塊內(nèi)部的等軸晶，可能與溫度場分布不均勻有關(guān)。

圖8 Nb521合金樣品橫向截面顯微組織

2.4 物相組成

圖9為Nb521粉末及SEBM成形Nb521合金樣品的XRD圖譜。從粉末的XRD圖譜中可以看出，38.6°、55.7°、69.9°、82.8°分別對應(yīng)Nb基體相(110)、(200)、(211)、(220)晶面的衍射峰，沒有出現(xiàn)其他衍射峰，Nb基體相的衍射峰向高角度偏移，這與W、Mo原子半徑小于Nb，固溶到Nb中導(dǎo)致晶格常數(shù)變小有關(guān)。成形樣品的XRD圖譜中除存在Nb基體相外，還存在少量Nb2C與ZrC析出相。與Nb521粉末的衍射峰相比，成形樣品在(200)晶面上強度明顯增強，說明晶粒沿(200)晶面有較強的擇優(yōu)生長取向。這與金相觀察中晶粒組織形貌表現(xiàn)一致。此外，成形樣品Nb基體衍射峰向低角度偏移，這與部分碳化物相的析出導(dǎo)致晶格常數(shù)變大密切相關(guān)。

圖9 Nb521粉末與Nb521合金樣品的XRD圖譜

2.5 拉伸性能及硬度

SEBM成形Nb521合金試樣的室溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖10所示。成形樣品抗拉強度達384 MPa，屈服強度為307 MPa，斷后延伸率為16.5%，基本達到GJB 8507—2015《航天用鈮鎢合金棒材規(guī)范》中的力學(xué)性能要求，但還存在少許差距，主要原因包括以下幾個方面：①成形Nb521合金密度雖達標(biāo)準(zhǔn)要求，但致密度仍有待提高；②從樣品中層與層結(jié)合處的道次痕跡看，成形質(zhì)量仍有待提高；③晶粒為沿沉積方向的柱狀晶，尺寸粗大，拉伸試樣的軸向垂直于沉積方向，即拉伸應(yīng)力垂直于柱狀晶，而柱狀晶晶粒間咬合力有限，結(jié)合強度不高；④由于電子束選區(qū)熔化成形是急速熔化-冷卻凝固的過程，強化相碳化物來不及充分析出，析出物為亞穩(wěn)相，且分布不均勻，故強化效果不明顯。

圖10 Nb521合金樣品的室溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

分別測試了Nb521合金試樣沿堆積垂面方向(Z向)和沿堆積層面內(nèi)(XY平面)的顯微硬度分布，結(jié)果見圖11。從圖11可以看出，無論是垂面還是層面內(nèi)，其顯微硬度均處于1 500～1 700 MPa之間。樣品顯微硬度測量值均未隨測點位置變化而出現(xiàn)較大波動，顯微硬度表現(xiàn)為各向同性。

圖11 Nb521合金樣品的顯微硬度分布

3 結(jié) 論

(1)采用SEBM成形Nb521合金，當(dāng)電子束能量輸入密度為340 J/mm3時，基本消除了熔合不良缺陷，成形樣品密度達到8.78～8.79 g/cm3。

(2)SEBM成形Nb521合金顯微組織沿沉積方向呈現(xiàn)典型的柱狀晶特征，由于溫度場分布及溫度梯度的區(qū)域差異，沉積層面邊緣存在少量等軸晶。

(4)SEBM成形Nb521合金樣品沿(200)晶面有較強的擇優(yōu)生長取向。成形樣品中除Nb基體相外，還存在少量Nb2C、ZrC碳化物析出相。

(5)SEBM成形Nb521合金的抗拉強度達到384 MPa，斷后延伸率16.5%，顯微硬度在1 500～1 700 MPa之間，沿沉積垂面、沉積層面均無各向異性，力學(xué)性能基本達到航空航天應(yīng)用要求。