熱處理對3D打印制備GH4169合金組織與性能的影響

孫兵兵， 姜 濤， 雷 楊， 陳冰清， 曾天翼， 王 威

(1. 中國航發(fā)北京航空材料研究院， 北京 100095； 2. 中國科學院 金屬研究所 師昌緒先進材料創(chuàng)新中心， 遼寧 沈陽 110016； 3. 中國科學技術大學 材料科學與工程學院， 遼寧 沈陽 110016； 4. 中國科學院 核用材料與安全評價重點實驗室， 遼寧 沈陽 110016)

三維打印(3D printing)技術，也被稱為“增材制造”技術，最早由美國3D系統(tǒng)公司的Chuck Hull發(fā)明，并在1986年成功申請專利。3D打印在汽車制造、醫(yī)療設備設計和航空航天等多個領域得到了廣泛的應用，Chuck Hull也被稱為3D打印之父。有別于材料的一般加工方法(如鑄造、焊接和鍛造等)，3D打印首先需要對所要打印的零部件進行計算機輔助設計、專業(yè)計算機動畫建模軟件建模，或由三維掃描儀直接生成打印模型。隨后以此模型為基礎，生成被“分割”的許多層橫截面信息，從而指導3D打印設備將預制備的塑料或金屬粉末按讀取的橫截面信息逐層打印，最終制造出一個三維實體。

相比于一般零部件制備方法，3D打印具備精度高、周期短、成本低及可定制生產等優(yōu)勢，能夠實現(xiàn)高性能復雜結構金屬零件的無模具、快速、全致密、近凈成形，在產品設計、建筑設計、模具制造、機械制造、家電制造和生物醫(yī)學等多個領域具有廣闊的應用前景。目前，在國內外工業(yè)生產中使用最多的3D打印材料就是金屬材料，而運用較為成熟的金屬3D打印技術主要有選擇性激光熔化成形(Selective laser melting，SLM)、選擇性激光燒結(Selective laser sintering，SLS)、熔融沉積式(Fused deposition modeling，F(xiàn)DM)、電子束自由成形制造(Electron-beam freeform fabrication，EBF)和電子束熔化成形(Electron beam melting，EBM)等。

GH4169合金是一種以沉淀強化為主要強化方式的鎳基高溫合金，無論是低至-250 ℃左右，還是高達650 ℃左右都具有優(yōu)良的綜合力學性能。在變形高溫合金中，GH4169合金的屈服強度在650 ℃以下時是最高的，此外還具有優(yōu)異的耐腐蝕、抗輻射及抗疲勞斷裂性能[8]。得益于這些優(yōu)良性能，加上其成形性能十分優(yōu)越，能夠制造復雜形狀的零部件，GH4169合金在核電、航空航天、油氣開采及模具等領域得到極為廣泛的應用。另外，該合金的微觀組織對熱加工工藝參數(shù)非常敏感，若能獲得合金中第二相析出及溶解機制以及微觀組織與熱加工或熱處理工藝、力學性能之間的內在聯(lián)系，則可根據(jù)不同的服役需求制定適宜的工藝，從而制備可滿足不同服役要求的各種零部件，如在航空領域廣泛應用的盤、環(huán)、葉片、軸、緊固件和彈性元件、板材結構件、機匣等[9]。目前，國外采用選擇性激光熔化成形(SLM)技術制備GH4169合金零部件的技術已較為成熟，而國內對用此技術制備的該合金零部件性能的研究幾乎沒有報道。直接用SLM技術制備的GH4169合金與一般鍛造加工的GH4169合金不同，前者的致密度不如后者，因此有必要對其進行熱處理以期獲得良好的綜合力學性能[10]。因此，本文以進口GH4169合金粉末為原材料，采用SLM技術制備拉伸試樣，對比研究熱處理前后試樣的化學成分、顯微組織及力學性能變化。

1 試驗材料與方法

試驗材料為德國生產的GH4169合金粉末，專用于先進的選擇性激光熔化成形(SLM)技術，其相近成分有美國牌號Inconel 718，德國牌號NiCr15Fe7TiAl，法國牌號NC19FeNb。經檢測，試驗GH4169合金粉末在掃描電鏡下呈球狀，不同粉末之間的粒徑差異不大，其平均粒徑約30 μm。本文采用的3D打印設備是EOSINTM280激光金屬粉末熔化儀，由3.5 kW摻鐿光纖激光器和高精度自動鋪粉系統(tǒng)構成。設備原理是利用紅外激光器對金屬粉末直接熔化成形。試驗前，首先對GH4169合金粉末進行烘干，目的在于減少吸潮可能對成形樣品致密度等帶來的影響。隨后，將烘干的GH4169合金粉末倒入鋪粉倉中并置于底板上，待校正水平等工作就緒后進行選擇性激光熔化成形試驗。試驗前將預先生成的3D圖像轉換成STL格式并輸入到設備中。根據(jù)相關技術標準，選擇粉末層厚度約為40 μm，激光光斑直徑定為φ0.1 mm。工作倉中氧氣體積分數(shù)需低于1.3%，外輪刮線功率、速率及厚度分別設置為58.5 W，700 mm/s和7400 μm。此外，打印間距設定為0.05 mm。待所有準備工作就緒后，關閉設備倉門，開始抽真空，待氧氣體積分數(shù)降到1.3%以下后開始SLM試驗。整個試樣制備過程在真空環(huán)境下進行。制備結束后，將3D打印的GH4169合金試樣掃去表面殘留的粉末，隨后卸下基板，整個選擇性激光熔化成形試驗至此結束。表1給出了3D打印GH4169合金試樣的化學成分。

表1 3D打印GH4169合金試樣的化學成分(質量分數(shù)，%)

將一部分3D打印的GH4169合金試樣進行熱處理，具體熱處理工藝：將試樣置于980 ℃環(huán)境中進行固溶處理，保溫1 h后空冷至室溫；隨后將試樣在720 ℃時效8 h并以50 ℃/h的冷速爐冷至620 ℃，在此溫度下繼續(xù)時效8 h后空冷。

將打印態(tài)及熱處理態(tài)3D打印GH4169合金按照圖1進行線切割，得到金相試樣和拉伸試樣，其中金相試樣3個不同的截面分別為：垂直于沉積方向(XY向)得到XOY面，定義為步進面；沿沉積方向(Z向)截取得到YOZ和XOZ面，定義為沉積面。將試樣鑲嵌、磨拋、腐蝕后置于體視顯微鏡下觀察其低倍組織和缺陷形貌，并在Zeiss LSM700光學顯微鏡和TESCAW LYRA3場發(fā)射掃描電鏡下觀察其組織形貌。在FEI Scios聚焦離子束/掃描電鏡(FIB/SEM)中，通過提取和磨尖的方法制備打印態(tài)以及熱處理態(tài)GH4169合金的三維原子探針(3DAP)試樣。在CAMECA LEAP 5000 XR上進行了3DAP試驗，數(shù)據(jù)采集溫度為60 K，脈沖重復率為200 kHz，脈沖分數(shù)保持在20%，每場蒸發(fā)脈沖離子采集率設定為0.3%，并利用IVAS 3.8軟件對采集的數(shù)據(jù)進行三維重建、成分分析和等濃度面生成。

GH4169合金試樣經機械研磨和拋光后，在SSO550掃描電鏡(附帶疲勞試驗臺)對表面拋光試樣進行拉伸試驗。拉伸試樣尺寸如圖2所示。

2 試驗結果與討論

圖2為打印態(tài)及熱處理態(tài)GH4169高溫合金的三維宏觀形貌。由圖2(a)可知，打印態(tài)GH4169合金沿Z向兩個面組織一致，可見明顯的、平行的沉積層帶及沿步進方向分布的魚鱗狀微熔池，且Z向可見貫穿多層沉積帶的明顯柱狀晶組織。XY向組織均勻，且XY向可見交叉的帶狀步進焊道，受剖切面位置影響，焊道不連續(xù)。相比打印態(tài)，熱處理態(tài)3D打印GH4169高溫合金各面組織、顏色變得更加均勻，沉積層帶、步進焊道變得模糊，但Z向生長的枝晶特征仍較明顯。

圖3為打印態(tài)及熱處理態(tài)GH4169合金的微觀組織照片。從圖3(a-d)可以發(fā)現(xiàn)，打印態(tài)GH4169合金的微觀組織由沿沉積方向的魚鱗狀熔池和沿沉積方向的細長柱狀晶構成，熔池和晶粒內部均為凝固枝晶組織，熔池內枝晶細小，交界處枝晶雜亂、粗大向其它熔池延伸。SEM結果顯示，晶界和晶內均有少量形狀規(guī)則的大塊氮化物相(MN)。熱處理態(tài)試樣形貌中仍可見沿沉積方向的焊道和熔池特征。熱處理后晶界和晶內的析出相明顯增多，晶內彌散分布著截面呈透鏡狀的γ″相，如圖3(e～h)所示。

室溫(20 ℃)拉伸數(shù)據(jù)如表2所示，表2中同時列出GJB 1953—1994《航空發(fā)動機轉動件用高溫合金熱軋棒材規(guī)范》中規(guī)定的GH4169合金的力學性能數(shù)據(jù)?？梢姡蛴B(tài)GH4169合金在室溫下的抗拉強度及屈服強度與普通鍛造GH4169合金熱處理態(tài)接近，分別達到1247 MPa以及1096 MPa，而伸長率及斷面收縮率略低，僅為8.9%及13.8%。經熱處理后，3D打印GH4169合金的強度和塑性均獲得了提升，抗拉強度由打印態(tài)的1247 MPa提升至1456 MPa，而伸長率也由打印態(tài)的8.9%升高至12.8%。

表2 不同狀態(tài)GH4169合金的力學性能

同時，由圖3(a～d)可知，打印態(tài)GH4169合金經熱處理后，枝晶組織基本消失，因此其塑性明顯提升。通常，GH4169合金經固溶處理后，可以有效減少基體中的δ相的數(shù)量。雖然晶界處的δ相對位錯移動起到釘扎作用，提高材料的強度，但是過多的晶界δ相會降低材料的塑性，因此通過固溶處理，降低基體中δ相的含量，有利于改善材料的塑性。同時，由于固溶處理降低了合金中δ相的含量，基體中Nb消耗減少，因此，在720 ℃進行時效，有利于富Nb的γ″相的析出。如圖5(d)所示，大量的γ″相彌散分布在基體中，截面呈透鏡狀(或稱為圓盤狀)。在620 ℃下以細小質點析出的γ′相，由于本身受到Ti、Al含量的影響，析出數(shù)量本身較少，且尺寸很小。

圖4為打印態(tài)及熱處理態(tài)GH4169合金的三維濃度分布圖。可以看出，打印態(tài)GH4169合金基體中所有合金元素均勻分布在基體中，基本無析出相或元素的富集。而經熱處理后，雖然GH4169合金基體中的Mo以及Co在基體中均勻分布，但可以明顯確定，基體中含有尺寸較小并均勻分布的Ni3(Ti,Al)(γ′相)以及尺寸較大的富Nb和Ti的析出相(γ″相)，析出相的位置無Cr及Fe的富集。相較于打印態(tài)GH4169合金，時效態(tài)合金的強度有明顯的升高，這歸因于時效過程中形成的大量納米級析出相有效阻礙了材料變形過程中位錯的運動，顯著提高了材料的屈服強度[13]和抗拉強度。

3 結論

1) 打印態(tài)GH4169合金組織表征結果顯示，其微觀組織由沿沉積方向的魚鱗狀熔池和沿沉積方向的細長柱狀晶構成，熔池和晶粒內部均為凝固枝晶組織。此外3DAP結果顯示，所有合金元素在基體中均勻分布，無元素偏聚及析出；經熱處理后，熱處理態(tài)GH4169合金的3DAP結果顯示，較多合金元素發(fā)生了富集，形成了尺寸較小的Ni3(Ti,Al)(γ′相)以及尺寸較大的富Nb和Ti的析出相(γ″相)。

2) 3D打印制備GH4169合金熱處理后力學性能的提高歸因于枝晶組織的消失、有害δ相的減少以及大量納米級γ″相和γ′相在基體中的析出。