電子束粉床熔融制備鎳基高溫合金構(gòu)件的研究進(jìn)展

錢虎虓,梁嘯宇,李 陽,闞文斌,林 峰

（1.中國航發(fā)動(dòng)力股份有限公司，西安 710021；2.清華大學(xué) 機(jī)械工程系 清潔高效透平動(dòng)力裝備全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 先進(jìn)成形制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 生物制造與快速成形技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；3.清研智束科技有限公司，北京 102600）

鎳基高溫合金具有較好的高溫強(qiáng)度與抗蠕變、抗氧化性能，是應(yīng)用最多的一種高溫合金[1]。鎳基高溫合金是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)中的重要結(jié)構(gòu)材料[2-4]，航空發(fā)動(dòng)機(jī)中其用量一般在總質(zhì)量的40%～60%，主要用于燃燒室、導(dǎo)向器、渦輪葉片、渦輪盤等四大熱端部件，也用在機(jī)匣、環(huán)件、加力燃燒室和尾噴口等部件[5]。

鎳基高溫合金的成形方法中，傳統(tǒng)的鑄、鍛包括粉末冶金等技術(shù)路線加工周期長，材料利用率不高，提高了材料的使用成本,也限制了應(yīng)用范圍。金屬增材制造技術(shù)是一種新的解決方案，其無需模具、近凈成形的特點(diǎn)十分符合當(dāng)前的設(shè)計(jì)和制造需求。粉末床熔融技術(shù)在制件性能和尺寸精度方面最為突出，因此在復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造中最具優(yōu)勢，是最受重視的高價(jià)值鎳基高溫合金構(gòu)件制備方法之一[6]。激光粉末床熔融（laser powder bed fusion，LPBF）技術(shù)已經(jīng)在高溫合金構(gòu)件增材成形方面取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展，并出現(xiàn)了一些代表應(yīng)用，包括EOS 與Hyperganic 合作推出的Aerospike 一體化火箭發(fā)動(dòng)機(jī)[7]、阿麗亞娜6 型火箭（Ariane 6）使用的集成式噴嘴頭[8]、GE 公司使用鈷基合金一體化成形LEAP 渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)使用的燃油噴嘴[9]等。電子束粉末床熔融（electron beam powder bed fusion，EBPBF）技術(shù)與LPBF 技術(shù)的原理類似[10-11]，采用電子束而非激光束完成逐層填充成形，得益于特有的散焦電子束快速掃描預(yù)熱粉末床工藝，可以降低成形過程的凝固熱應(yīng)力，減少高裂紋傾向材料成形時(shí)的裂紋萌生，適用材料范圍更加廣泛[12]。英國羅爾斯-羅伊斯公司利用EBPBF 技術(shù)制造了 Trent XWB-97 發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金導(dǎo)向器，將原有的48 個(gè)導(dǎo)葉集成為了1 個(gè)完整部件，顯著縮短了研發(fā)與制造周期，同時(shí)增加了設(shè)計(jì)靈活性[13]。意大利Avio Aero 公司利用Arcam 公司的設(shè)備批量生產(chǎn)了應(yīng)用于GE9X 發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦鋁低壓渦輪葉片，其質(zhì)量約為傳統(tǒng)鎳基合金渦輪葉片的一半[14]。當(dāng)然，EBPBF技術(shù)依然存在不足之處，如制件精度與表面質(zhì)量不足、對后處理的依賴較大等。目前國內(nèi)EBPBF 技術(shù)在航空裝備領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于研究階段，尚未獲得裝機(jī)應(yīng)用[15]。雖然LPBF 目前比EBPBF 技術(shù)更加普及，近年來推出了大量的文獻(xiàn)報(bào)道，成為增材制造領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，但是EBPBF 技術(shù)在低應(yīng)力、高效率等方面依然具有優(yōu)勢，其工藝能力和特點(diǎn)值得關(guān)注。

本文對EBPBF 的技術(shù)原理和工藝過程等方面作簡要介紹，圍繞高溫合金為主題梳理EBPBF 技術(shù)不斷完善的加工能力，從完成常見牌號如Inconel 718 合金成形進(jìn)展到無裂紋難焊高溫合金成形的發(fā)展過程，分析總結(jié)目前EBPBF 成形的鎳基高溫合金的相關(guān)性能，對今后的研究方向提出展望。

1 EBPBF 技術(shù)簡介

EBPBF 技術(shù)是指利用高能電子束流熔化粉末床上的金屬粉末顆粒從而逐層融合材料完成零件實(shí)體的成形技術(shù)。電子束粉末床熔融設(shè)備一般由電子槍系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、供粉和鋪粉系統(tǒng)構(gòu)成。圖1 展示了設(shè)備的基本組成和電子束粉末床熔融的工作原理[16]，包括：（1）粉層鋪設(shè)，在基板上鋪展一定厚度的粉末，在鋪第一層粉末之前，一般先對基板進(jìn)行預(yù)熱，基板的預(yù)熱溫度根據(jù)成形材料需求通常為600～1100 ℃，這樣有利于保持整體粉床的溫度，以防止由于熱應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋及吹粉現(xiàn)象的發(fā)生；（2）粉末預(yù)熱，利用散焦的電子束快速掃描粉床進(jìn)行預(yù)熱，粉床的預(yù)熱溫度視粉末材料而定，該過程使粉末產(chǎn)生“微燒結(jié)”，防止粉末飛濺和吹粉現(xiàn)象；（3）成形掃描，根據(jù)設(shè)定的掃描路徑掃描成形零件的一層截面，使零件截面內(nèi)的粉末充分熔化形成致密的結(jié)合；（4）成形平臺(tái)下降，下降的高度決定了下一粉層的厚度，可以根據(jù)產(chǎn)品的形狀特征調(diào)整每個(gè)粉層的厚度以實(shí)現(xiàn)成形速度和質(zhì)量的最佳平衡；（5）重復(fù)以上步驟實(shí)現(xiàn)零件的制造。

圖1 電子束粉末床熔融（EBPBF）設(shè)備（a）和工藝步驟示意圖（b）[16]Fig.1 Electron beam powder bed fusion（EBPBF）equipment（a）and schematic diagram of process（b）[16]

因?yàn)殡娮邮拇┩改芰軓?qiáng)，可以完全熔化較厚的粉末層。在EBPBF 工藝中，鋪粉層厚通常超過75 μm，甚至可達(dá)到200 μm。在提高沉積效率的同時(shí)，電子束依然能夠保證良好的層間結(jié)合質(zhì)量。同時(shí)，EBPFBF 技術(shù)對粉末的粒徑要求較低，可成形的金屬粉末粒徑范圍為50～150 μm 甚至更廣，能夠降低粉末耗材成本。這些特點(diǎn)賦予了EBPBF技術(shù)在制造業(yè)廣闊的應(yīng)用前景。

目前處于國際領(lǐng)先地位的EBPBF 裝備供應(yīng)商為GE additive 集團(tuán)的Arcam 公司，現(xiàn)已推出了A1、A2、A2X、Q10、Q20、Q20plus、SpectraH、SpectraL等不同型號EBPBF 成形裝備。近年來，得益于GE 公司在應(yīng)用推廣和批量生產(chǎn)方面的諸多成果，更多裝備制造企業(yè)開始EBPBF 的裝備研發(fā)。瑞典Freemelt 公司開發(fā)了用于研究和開發(fā)增材制造金屬材料的Freemelt one 系統(tǒng)。英國Wayland additive公司提出了“電中和”方式抑制電子束選區(qū)熔化技術(shù)的“吹粉”問題，將該技術(shù)應(yīng)用于其最新的Calibur3 設(shè)備。日本JEOL 借鑒電子顯微鏡和電子束光刻系統(tǒng)中開發(fā)的半導(dǎo)體制造技術(shù)，開發(fā)了具有高功率、高密度和高掃描速度的電子束金屬增材制造設(shè)備——JAM-5200EBM。在國內(nèi)，清華大學(xué)最早開始開展電子束選區(qū)熔化裝備的研制工作，開發(fā)了EBSM-150 型裝備，并逐步迭代升級，促進(jìn)了我國電子束選區(qū)熔化領(lǐng)域的快速發(fā)展。清研智束科技有限公司依托于清華大學(xué)進(jìn)行技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化工作，推出了QBeamLab、QBeamAero、QBeamMed 等型號裝備。西安賽隆金屬材料有限公司依托西北有色金屬研究院的研究基礎(chǔ)，逐步推出了商業(yè)化S200 型、Y150 型粉末床電子束3D 打印設(shè)備等。北京航空制造技術(shù)研究院也推出了自主生產(chǎn)的EBPBF 裝備。

對比LPBF 技術(shù)，EBPBF 技術(shù)具有以下優(yōu)勢：

（1）電子束的功率較激光束大，能提高成形溫度，抑制冷裂紋的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)室溫脆性、焊接性能較差材料的制備。

（2）能量利用率高，激光的能量利用率通常為10%左右，而電子束則為50%左右。

（3）電子束則采用電磁線圈進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，較振鏡系統(tǒng)的可控程度更高、調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)電子束的聚焦程度、掃描速度、掃描方向、掃描電流的高效精密調(diào)控。

（4）電子束聚焦不受金屬蒸汽影響，熔化金屬材料時(shí)，金屬蒸汽會(huì)在成形空間內(nèi)的物體表面鍍上金屬薄膜，激光的聚焦和偏轉(zhuǎn)將受到影響，而采用電磁線圈聚焦和偏轉(zhuǎn)的電子束不會(huì)受到影響。

（5）電子束系統(tǒng)一般采用真空成形條件，樣品不易污染，氧含量控制也更優(yōu)異。

2 鎳基高溫合金的EBPBF 制備

EBPBF 技術(shù)在高溫合金制備中的價(jià)值很早就得到了關(guān)注，學(xué)者們在技術(shù)發(fā)展的前期主要圍繞著可焊鎳基高溫合金的成形可行性以及成形材料的質(zhì)量做了相關(guān)工作。目前利用電子束粉末床熔融技術(shù)制備鎳基高溫合金的主要研究單位包括美國GE additive 集團(tuán)Arcam 公司、橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室、勞倫斯國家實(shí)驗(yàn)室、德國馬普所、埃爾蘭根-紐倫堡大學(xué)，日本東北大學(xué)等，國內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)有清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、空軍工程大學(xué)等。

2.1 可焊高溫合金的致密化

利用EBPBF 技術(shù)成形鎳基高溫合金的研究工作最早可以追溯到德國馬普所的Strondl 等[17–20]自2008 年起報(bào)道的系列工作，實(shí)現(xiàn)了利用電子束粉末床熔融增材制造方法成形Inconel 718[17]，并分析了熱處理工藝對組織狀態(tài)的調(diào)控效果[18]；在成形γ″沉淀強(qiáng)化型鎳基高溫合金Inconel 718 的基礎(chǔ)上，他們又對固溶強(qiáng)化型鎳基高溫合金Inconel 600 和γ′沉淀強(qiáng)化型鎳基高溫合金Udimet Alloy 720（UD720）開展了EBPBF 成形實(shí)驗(yàn)，并與鑄造和定向凝固的成形方法進(jìn)行了比較[19]，不過UD720合金因?yàn)榉勰┝竭^于細(xì)小，存在大量直徑小于1 μm 的粉末，引發(fā)了強(qiáng)烈的吹粉現(xiàn)象[20]，最終成形失敗。Murr 團(tuán)隊(duì)[21]于2011 年報(bào)道了利用電子束粉末床熔融增材制造方法成形Inconel 625 的研究，值得注意的是，這項(xiàng)研究中使用的粉末粒徑較小，接近于LPBF 技術(shù)所使用的粉末粒徑（平均粒徑22 μm），并于之后采用粒徑44～120 μm 的粉末實(shí)現(xiàn) 了Inconel 625 點(diǎn) 陣結(jié)構(gòu)的打印[22]。K?rner 團(tuán)隊(duì)[23]深入分析了EBPBF 成形高溫合金時(shí)的工藝參數(shù)和成形質(zhì)量的關(guān)系，并表征了不同參數(shù)下的成形材料微觀組織。通過比較不同的束流功率、偏轉(zhuǎn)速度和束斑尺寸后，確定了可以獲得完全致密并且表面平整Inconel 718 試樣的EBPBF 工藝參數(shù)窗口[24]。

2.2 難焊高溫合金的裂紋抑制

Inconel 718 和Inconel 625 等材料是常見的可焊高溫合金牌號，其應(yīng)用范圍很廣，但高溫性能仍有局限。為了得到更好的高溫蠕變性能，更多高溫合金成分設(shè)計(jì)中增加了Ti、Al 等元素，從而促進(jìn)γ′-Ni3（Ti，Al）強(qiáng)化相的形成。Ti、Al 等元素增加了焊接的難度，同時(shí)也提高了對增材制造工藝的要求。LPBF很難實(shí)現(xiàn)無裂紋的難焊高溫合金成形[25]，而EBPBF體現(xiàn)了較好的難焊高溫合金加工能力，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多種不同牌號的難焊高溫合金無裂紋高質(zhì)量成形。Ramsperger 等[26]實(shí)現(xiàn)了不同組織狀態(tài)的CM247 的EBPBF 成形。橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的研究者基于EBPBF 打印Inconel 738 的試塊的能力[27]，對成形過程進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了工業(yè)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的原型葉片制造并用于發(fā)動(dòng)機(jī)熱態(tài)考核評估[28]。彭徽團(tuán)隊(duì)[29]完成了Ni3Al 基高溫合金IC21 的EBPBF 成形，并指出通過掃描中的跳線方法以及降低掃描速度能夠成功地抑制裂紋的生成。林峰課題組[30-31]先后報(bào)道了利用EBPBF 實(shí)現(xiàn)無裂紋的難焊高溫合金Inconel 738 和Inconel 939 的成形，并指出了工藝參數(shù)與成形缺陷的聯(lián)系，通過控制粉末床預(yù)熱溫度和掃描策略，清華大學(xué)與清研智束公司聯(lián)合研發(fā)了M247 的EBPBF 工藝方法，完成了無裂紋燃機(jī)渦輪葉片EBPBF 成形。

3) 初始矩陣S0。系統(tǒng)OK元素為1時(shí)的矩陣。馬爾科夫矩陣每行的數(shù)值相加都為1，但是每列相加就不一定為1。該情況是因?yàn)轳R爾科夫矩陣行的意義為表示系統(tǒng)在在一個(gè)固定時(shí)間內(nèi)，與其中元素的取值單位有關(guān)，一般計(jì)算中每個(gè)元素的單位為h-1。由一個(gè)狀態(tài)向其他狀態(tài)轉(zhuǎn)換或保持自身狀態(tài)的概率。

因?yàn)镋BPBF 成形后的組織狀態(tài)可能處于非熱力學(xué)平衡狀態(tài)，同時(shí)沿著成形方向沉積體的溫度情況不同，所以微觀組織在高度方向上不均勻，同時(shí)在使用不同的系列工藝參數(shù)以及制粉過程帶來的粉末成分的輕微差異會(huì)導(dǎo)致組織狀態(tài)變化，成形過程中出現(xiàn)的缺陷以及易熱裂材料中的裂紋都會(huì)降低試樣的力學(xué)性能，工藝過程的分析和優(yōu)化成為研究的重心。

2.3 工藝特點(diǎn)分析

EBPBF 技術(shù)能夠?qū)⒎勰┐驳某尚畏婕訜岬?000 ℃甚至更高，這種高溫狀態(tài)能夠有效地抑制成形材料的殘余應(yīng)力，研究顯示EBPBF 對比激光定向能量沉積工藝制備的材料殘余應(yīng)力顯著降低[32]。一般而言，增材制造零件表面會(huì)因?yàn)槟淌湛s產(chǎn)生拉應(yīng)力，這種拉應(yīng)力對于零件的疲勞性能等有著不利影響，減少增材工藝中殘余應(yīng)力對于改善性能是有利且必要的[33-34]。對于高溫合金尤其是難焊高溫合金而言，其熱裂紋敏感性是加工過程中的一大障礙，裂紋的形成很大原因是成形過程中液膜的出現(xiàn)與殘余應(yīng)力的影響，在大角晶界處造成開裂。EBPBF 成形鎳基高溫合金時(shí)，可以通過改變工藝參數(shù)來調(diào)整凝固路線，調(diào)控組織狀態(tài)形成更耐熱裂紋的細(xì)晶結(jié)構(gòu)；同時(shí)EBPBF 過程中產(chǎn)生的應(yīng)變可以被高密度的晶界所容納，從而減少在凝固的最后階段因?yàn)槌煞制龆纬傻囊耗35]。這種抑制裂紋的能力賦予了EBPBF 對于高溫合金加工更強(qiáng)的適應(yīng)性，隨之而來的工藝區(qū)間拓展賦予了單晶體成形的可能性。不過因?yàn)槌尚沃惺冀K保持的高溫粉末床狀態(tài)使得材料經(jīng)歷了類似原位熱處理的過程，同時(shí)由于高溫合金材料復(fù)雜的組織狀態(tài)，這種潛在的組織不均勻性依然未能得到解決。一方面，這種不均勻性帶來了EBPBF 成形態(tài)高溫合金的后處理必要性；另一方面，如何規(guī)避或者利用這種原位熱處理也是一個(gè)值得關(guān)注的角度。

3 工藝過程與控形控性

3.1 熱歷史與組織均勻性分析

Strondl 等[17]的先驅(qū)工作指出了EBPBF 成形方向上的微觀組織不均勻性，這種不均勻性在拉伸性能測試中得到了體現(xiàn)[36]。美國德州農(nóng)工大學(xué)和橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的學(xué)者們[37]對此進(jìn)行了深入分析，測量了打印過程中試塊的溫度歷史，并首次將打印過程中的溫度變化與力學(xué)性能做出關(guān)聯(lián)。沿著打印方向，越接近底部的沉積體中δ 相的粗化越為明顯，成形時(shí)的溫度歷史影響了強(qiáng)化相的析出規(guī)律。Kirka 等[38]分析了EBPBF Inconel718 的微觀結(jié)構(gòu)梯度和對應(yīng)的拉伸性能梯度。微觀結(jié)構(gòu)梯度可以分為三個(gè)不同的區(qū)域：頂部由樹枝狀亞晶結(jié)構(gòu)組成，包括枝晶間的碳化物和Laves 相；中間存在著過渡區(qū)，其特點(diǎn)是枝晶結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散，Laves 相的溶解，以及枝晶間δ 針狀相的析出；底部的成形塊是由柱狀晶粒結(jié)構(gòu)組成，晶粒內(nèi)部析出了網(wǎng)狀δ 相。在室溫（20 ℃）和高溫（650 ℃）下，屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度和斷裂時(shí)的伸長率都呈現(xiàn)出隨著打印高度增加而增加的一般性趨勢。Deng 等[39]定性地討論了打印中凝固條件與“原位熱處理”對微觀組織梯度的影響規(guī)律。打印的終末段即試樣頂部，Laves 相在最后幾層中因?yàn)槠霎a(chǎn)生了不均勻分布的情況，而在試樣的其他部位，Laves 相自上而下逐漸減少，因?yàn)樵嚇拥撞拷邮芰祟愃仆嘶鸬脑粺崽幚?，不過硫化物/氮化物/碳化物等析出物幾乎不受后續(xù)熱歷史的影響。

成形材料的均勻性和各向同性始終是增材制造逐層構(gòu)建過程中關(guān)注的重點(diǎn)。Karimi 等[40]分析了單層多道掃描和多層單道掃描中熱循環(huán)對成形狀態(tài)的影響。Sun 等[41]利用EBPBF 制造了Inconel 718 合金棒，其中試樣軸向與打印方向相差0°、45°、55°和90°，并研究了不同打印方向的微觀結(jié)構(gòu)和高溫拉伸性能，發(fā)現(xiàn)傾斜打印的試樣展示出了最佳的力學(xué)性能。爐次間的可重復(fù)性是打印工藝可靠性的核心要求，然而研究顯示，同一爐次中制備的試樣也可能因?yàn)樵嚇硬季治恢玫牟町悗斫M織乃至性能上的差異[42]。布局位置帶來的成形誤差以及試樣輪廓質(zhì)量等因素導(dǎo)致材料在疲勞測試中表現(xiàn)出了更強(qiáng)的分散性。考慮到反復(fù)掃描過程中熔道的疊加，輪廓掃描時(shí)重熔較少而填充掃描時(shí)重熔較多，EBPBF 成形Inconel 718 時(shí)還會(huì)出現(xiàn)輪廓區(qū)域與填充區(qū)域微觀組織的區(qū)別[43]。

3.2 工藝參數(shù)與晶粒結(jié)構(gòu)調(diào)控

EBPBF 技術(shù)可以通過工藝參數(shù)的精細(xì)控制實(shí)現(xiàn)不同織構(gòu)的組織狀態(tài)。美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)通過改變填充工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了包括晶粒[001]方向平行或垂直于打印方向以及完全隨機(jī)織構(gòu)的三種不同組織狀態(tài)，其中，晶粒[001]方向平行于打印方向的狀態(tài)已經(jīng)達(dá)到了以7.5°的工業(yè)級單晶標(biāo)準(zhǔn)的組織質(zhì)量[44]。這為后續(xù)的關(guān)于EBPBF 單晶制備的相關(guān)研究[45]做出了鋪墊。Dehoff等[46]通過改變填充工藝中電子束熱源的狀態(tài)（點(diǎn)狀和線狀熱源模式快速變化）以促進(jìn)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱梯度和液/固界面遷移速度，演示了一種精細(xì)的區(qū)域微觀組織控制方式。EBPBF 工藝中最常用的標(biāo)準(zhǔn)填充策略容易生成典型的柱狀晶結(jié)構(gòu)，而點(diǎn)狀熱源填充方案可以提供更豐富的影響EBPBF 材料織構(gòu)的能力。利用這種點(diǎn)熱源策略同時(shí)改變相關(guān)的工藝參數(shù)制備Inconel 718 時(shí)，材料在凝固成形時(shí)可以自由形成柱狀或等軸晶粒結(jié)構(gòu)[47-48]。對比標(biāo)準(zhǔn)的往復(fù)線性掃描制造的柱狀晶粒材料的各向異性，使用點(diǎn)狀熱源填充的等軸晶粒材料展示出各向同性的力學(xué)行為[48]。Helmer 等[49]對填充間距與掃描方向等工藝參數(shù)做出了具體的實(shí)驗(yàn)和仿真分析，并指出打印工藝對組織狀態(tài)的影響是通過在凝固過程中改變熱梯度的方向來實(shí)現(xiàn)的。如果熱梯度與打印方向保持一致，柱狀晶粒結(jié)構(gòu)就會(huì)生長。

Polonsky 等[50]基于實(shí)驗(yàn)表征和熱力學(xué)仿真分析了掃描策略對于EBPBF 成形過程中微觀組織演化，闡述了晶粒成核和外延生長二者競爭過程的具體機(jī)制。Lee 等[51]針對EBPBF 成形Inconel 718工藝參數(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行了探索，分析了掃描速度、束流功率、散焦電流（束斑尺寸）對成形態(tài)樣品的致密度、微觀組織與力學(xué)性能的影響?？刂粕⒔闺娏骺梢愿淖兪鞯膸缀涡螤钸M(jìn)而改變?nèi)鄢氐男螒B(tài)，這對晶粒的外延生長有直接影響。將散焦電流逐漸擴(kuò)大后，γ″沉淀物的尺寸逐漸增加。較高的散焦電流帶來的強(qiáng)〈100〉織構(gòu)的柱狀微觀結(jié)構(gòu)以及與γ″顆粒強(qiáng)烈相互作用而產(chǎn)生的高密度位錯(cuò)可以顯著提高材料的蠕變性能[52]。

3.3 單晶體直接成形

還有其他研究團(tuán)隊(duì)也進(jìn)行了單晶成形的探索。南洋理工大學(xué)的研究者們開展了EBPBF 工藝對鎳基高溫合金單晶體的試制[60]，由于打印高度的局限性（3 mm），在成形樣品中只能看到柱狀晶的微觀組織，同時(shí)在樣品中還出現(xiàn)了大量的裂紋。EBPBF 制備單晶體需要利用晶粒的競爭生長機(jī)制[61–63]，打印中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)選晶段，在這個(gè)區(qū)間中具有優(yōu)勢取向的晶粒逐漸替代其他晶粒，實(shí)現(xiàn)從多晶體到單晶體的轉(zhuǎn)變?？哲姽こ檀髮W(xué)的研究團(tuán)隊(duì)使用國產(chǎn)化設(shè)備嘗試了單晶牌號鎳基高溫合金DD407 的EBPBF 成形，探索了裂紋控制和強(qiáng)化相的調(diào)控[64]。在進(jìn)一步的研究中發(fā)現(xiàn)，基板的材質(zhì)與取向?qū)尉w成形過程有著直接影響[65]。采用〈001〉取向平行于打印方向的單晶體基板，外延生長容易維持從而促進(jìn)單晶體直接成形，其他取向的單晶體基板帶來了雜晶，限制了單晶體的成形。北京航空航天大學(xué)的學(xué)者實(shí)現(xiàn)了EBPBF 工藝使用René N5 粉末對CMSX-4 單晶體的修復(fù)工作[66]。

3.4 熱處理與表面處理

熱處理對高溫合金的性能十分重要，前述的很多研究[18，21，36，67–69]中都提及了對EBPBF 成形態(tài)材料進(jìn)行熱處理后其組織與性能的變化。大部分文獻(xiàn)里使用了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的熱處理方案，也有部分學(xué)者對不同牌號的EBPBF 鎳基高溫合金的熱處理方法進(jìn)行了具體研究。Unocic 等[70]對EBPBF Haynes 282 的熱處理進(jìn)行了分析評價(jià)，比較了一步和兩步熱處理方案，發(fā)現(xiàn)熱處理可以調(diào)控成形時(shí)析出的γ′沉淀物的尺寸和形態(tài)，并指出了工藝參數(shù)優(yōu)化和熱處理制度耦合的必要性，以控制晶粒中和晶界處的γ′和碳化物析出物的形成從而提高合金的高溫性能。Goel 等[71]對EBPBF Inconel 718 的熱處理進(jìn)行了研究，分析了輪廓和填充區(qū)域的調(diào)控效果差異。填充區(qū)域表現(xiàn)出柱狀晶粒，在打印方向上有很強(qiáng)的〈001〉織構(gòu)，而輪廓區(qū)域有柱狀和等軸晶粒的混合，沒有明顯織構(gòu)。熱等靜壓可以導(dǎo)致填充區(qū)和輪廓區(qū)的缺陷含量減少近一個(gè)數(shù)量級。熱等靜壓加熱處理的方案導(dǎo)致了輪廓區(qū)的晶粒粗化，但沒有改變填充區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)。填充區(qū)域和輪廓區(qū)域的碳化物在熱處理后重新析出并且尺寸形態(tài)接近。Li 等[72]研究了EBPBF Inconel 738 的熱等靜壓與熱處理，分析了針對鑄造Inconel 738 所設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)熱處理在EBPBF Inconel 738 上的適用性和必要性。成形態(tài)晶粒的形狀在熱等靜壓中出現(xiàn)變化，但在固溶熱處理中沒有改變。熱等靜壓工藝促使更多的碳化物析出，而在固溶+時(shí)效熱處理中，碳化物從MC 變?yōu)镸23C6，γ'相從成形態(tài)的立方形變?yōu)榍蛐?。Ramsperger 等[26]對EBPBF M247 進(jìn)行了熱等靜壓和熱處理研究，采用短時(shí)過固溶熱處理即可取得良好的均勻化效果，熱等靜壓加熱處理的方案使得細(xì)密的碳化物呈鏈狀均勻分布在晶界處，有助于提高材料抗蠕變能力。

部分學(xué)者報(bào)道了關(guān)于表面質(zhì)量的后處理研究。Zafer 等[73]研究了利用熱等靜壓調(diào)控成形缺陷尤其是表面缺陷的效果，并嘗試了涂層后進(jìn)行熱等靜壓的方法來改善表面缺陷控制效果。但是因?yàn)槌尚螒B(tài)樣品的粗糙度過大，涂層并不能很好地與表面結(jié)合，因此表面缺陷愈合的效果依然不佳。Zhao 等[74]研究了表面缺陷和機(jī)加工去除深度對EBPBF Inconel 718 樣品力學(xué)性能的影響。與成形態(tài)和淺加工（只去除外表面）的樣品相比，深加工（進(jìn)一步增加切削深度）樣品的屈服強(qiáng)度、極限拉伸應(yīng)力和延展性都大大提高。

4 EBPBF 鎳基高溫合金的性能分析

4.1 靜態(tài)力學(xué)性能

EBPBF 成形的各牌號鎳基高溫合金的室溫或高溫下的力學(xué)性能已有廣泛報(bào)道（見表1 和表2）?？梢钥闯鑫墨I(xiàn)中報(bào)道的各種EBPBF 高溫合金的性能具有一定的分散性，因?yàn)楣に噮?shù)和組織的密切關(guān)系，同時(shí)結(jié)合打印過程中整體的溫度歷史演變與局部微熔池凝固條件差異，EBPBF 高溫合金的組織不均勻性會(huì)反映在材料的力學(xué)性能中。從打印的不同高度取試樣，其拉伸性能響應(yīng)并不一致[75]。通過在改變參數(shù)制備出的等軸晶或柱狀晶的成形態(tài)樣品中分別取橫向和縱向的試樣測試其拉伸響應(yīng)，材料的彈性模量和強(qiáng)度表現(xiàn)出強(qiáng)烈的各向異性[68]。Sun 等[41]分析了Inconel 718 不同打印方向的力學(xué)性能，在〈111〉方向的試棒上獲得了最高的強(qiáng)度。晶體方向的各向異性、柱狀晶粒結(jié)構(gòu)和沉淀相的排列方式等因素帶來了強(qiáng)度對試樣方向的關(guān)聯(lián)性。Al-Juboori 等[69]研究了EBPBF 718 的拉伸性能發(fā)現(xiàn)力學(xué)響應(yīng)隨掃描速度的變化影響很小，因此通過更高的掃描速度可以實(shí)現(xiàn)更高的打印率。Gotterbarm 等[76]研究了利用小尺寸試樣作為評估EBPBF 制造部件斷裂行為的有效和實(shí)用方法。Gamon 等開展了9 種AM 工藝制備Inconel 625的研究，并評價(jià)了材料的硬度[77]。Zhao 等[74]分析了表面質(zhì)量對于拉伸性能的影響，去除表面缺陷后材料的延展性得到了顯著的改善而且強(qiáng)度也有所增加。隨著技術(shù)與工藝的發(fā)展，目前材料的性能已經(jīng)達(dá)到甚至超過了鑄、鍛態(tài)同類產(chǎn)品的水平，顯示了新型加工方式的優(yōu)勢。

表1 文獻(xiàn)報(bào)道的部分EBPBF 鎳基高溫合金的室溫下靜態(tài)力學(xué)性能Table 1 Tensile properties of EBPBF nickel-based superalloys at room temperature from literature

表2 文獻(xiàn)報(bào)道的部分EBPBF 鎳基高溫合金的高溫下靜態(tài)力學(xué)性能Table 2 Tensile properties of EBPBF nickel-based superalloys at high temperature from literature

4.2 疲勞與蠕變性能

除了基本的靜態(tài)力學(xué)性能外，鎳基高溫合金的抗疲勞性能和抗蠕變性能也是服役場景中的關(guān)鍵指標(biāo)。

EBPBF 成形的鎳基高溫合金的疲勞性能具有明顯的與取樣方向和微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)性，雖然垂直打印方向的等軸晶試樣性能不佳，但是沿打印方向取的柱狀晶試樣的低周疲勞性能優(yōu)于鍛態(tài)試樣[68]。當(dāng)加載軸平行和垂直于柱狀晶粒時(shí)，EBPBF Inconel 718 的織構(gòu)和柱狀晶粒的微觀結(jié)構(gòu)顯示出各向異性的抗保載疲勞裂紋能力。平行于柱狀晶界的加載比垂直于柱狀晶界的加載具有更好的抗停留疲勞開裂能力。當(dāng)駐留疲勞裂紋路徑到達(dá)高角度晶界時(shí)，裂紋變?yōu)榫чg；而裂紋可以通過低角度晶界傳播而不改變其傳播方向。熱處理也會(huì)影響EBPBF 單晶鎳基合金試樣的高溫低周疲勞行為，研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)熱等靜壓后材料的疲勞壽命明顯高于普通材料的疲勞壽命。熱等靜壓結(jié)合固溶熱處理能夠使低周疲勞壽命進(jìn)一步延長。導(dǎo)致失效的裂紋發(fā)生在層間結(jié)合的界面上或在凝固過程中產(chǎn)生的微孔上，對于經(jīng)過HIP 處理的試樣，愈合后的孔隙附近沉淀相是裂紋的主要萌生源[84]。同樣的樣品在超高周疲勞測試中性能遠(yuǎn)超通過精密鑄造成形的樣品[85]。不過，其他研究顯示單獨(dú)的固溶時(shí)效熱處理似乎對EBPBF Inconel718 的疲勞性能改善有限[86]。

Kuo 等表征了LPBF 和EBPBF 制造的Inconel 718 合金試樣的蠕變性能（圖2）并進(jìn)行了比較研究[87-88]。LPBF 較高的冷卻速率導(dǎo)致了高位錯(cuò)密度和枝晶間沉淀相，所以蠕變性能較差。而EBPBF 材料具有低位錯(cuò)密度、均勻分布的δ 沉淀物和明顯的〈001〉織構(gòu)。直接時(shí)效的EBPBF 試樣的蠕變壽命接近1100 h，與傳統(tǒng)的鑄鍛合金在650 ℃時(shí)的蠕變壽命相當(dāng)。晶粒方向平行于應(yīng)力軸的柱狀材料通常具有優(yōu)異的蠕變性能，經(jīng)熱等靜壓（HIP）后處理的EBPBF Inconel 718 的最小蠕變率和蠕變斷裂壽命進(jìn)一步得到改善。經(jīng)過適當(dāng)?shù)某恋頍崽幚砗?，EBPBF 的單晶體鎳基高溫合金能夠超出傳統(tǒng)鑄造材料的蠕變性能[89]。

圖2 Inconel 718 的蠕變測試曲線（EBPBF：電子束粉末床熔融；LPBF：激光粉末床熔融；C&W：鑄鍛）[87]（a）成形態(tài)；（b）固溶+時(shí)效；（c）直接時(shí)效Fig.2 Creep test curves of Inconel 718 (EBPBF：electron beam powder bed fusion,LPBF：laser powder bed fusion,C&W：casting and wrought)[87]（a）as-built(AB)；（b）solid solution+aging(STA)；（c）direct aging(DA)

5 結(jié)論與展望

近年來，逐漸豐富的關(guān)于EBPBF 高溫合金的研究推動(dòng)了EBPBF 技術(shù)的發(fā)展。

（1）在十余年的發(fā)展過程中，EBPBF 技術(shù)突破了以Inconel 718、Inconel 625 為代表的高溫合金材料與構(gòu)件的成形瓶頸，并且不斷延伸能力，可以在高真空高溫度低應(yīng)力狀態(tài)下成形高γ′相比例難焊鎳基高溫合金甚至直接制備鎳基高溫合金單晶體，成形材料的性能達(dá)到甚至可以超過傳統(tǒng)鑄鍛材料的水平。

（2）EBPBF 技術(shù)能夠?qū)⒎勰┐驳某尚畏婕訜岬?000 ℃甚至更高，這種高溫狀態(tài)有效地抑制了成形材料的殘余應(yīng)力，更大的成形窗口賦予了工藝參數(shù)調(diào)整的空間，通過凝固路線的設(shè)計(jì)，組織狀態(tài)能夠形成更耐熱裂紋的細(xì)晶結(jié)構(gòu)，同時(shí)真空狀態(tài)成形減少了材料氧化，因此對比LPBF 技術(shù)在成形裂紋敏感型材料中更具優(yōu)勢。

（3）在現(xiàn)有的研究中，針對工藝的報(bào)道相對豐富，圍繞著致密化、裂紋抑制、組織狀態(tài)調(diào)整等目標(biāo)開展了大量工作，關(guān)于材料的后處理、性能測試與評估等研究較為有限，需要更多的關(guān)注。

航空航天等高復(fù)雜度高附加值產(chǎn)業(yè)對于增材制造是天然適配的場景，目前領(lǐng)域中涌現(xiàn)的若干重大需求，包括難加工材料（鈦合金、高溫合金、金屬間化合物）的低成本快速制造與修復(fù)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)難加工制件（例如含有內(nèi)流道冷卻結(jié)構(gòu)的渦輪葉片）的成形方案、新型結(jié)構(gòu)（例如金屬點(diǎn)陣多孔結(jié)構(gòu)）的設(shè)計(jì)制造一體化方法等，對增材制造技術(shù)與工藝的改進(jìn)與發(fā)展提出了迫切需求。

除了工藝實(shí)驗(yàn)研究，考慮粉末從熔化到凝固過程中各種物理現(xiàn)象所建立的仿真分析模型也得到了越來越多的重視。粉末成分設(shè)計(jì)與質(zhì)量評估、優(yōu)化對改善成形工藝過程和材料性能也有重要的意義。

隨著材料與零件的要求不斷提升，對電子束粉床熔融裝備的要求也在增加。開發(fā)大型陣列化電子槍設(shè)備，增加大型零件的成形能力；設(shè)計(jì)制造超高壓電子槍系統(tǒng)，改善電子束聚焦?fàn)顟B(tài)，提高成形效率與質(zhì)量；開發(fā)自主可控的工藝控制軟件，提高復(fù)雜截面路徑規(guī)劃能力、強(qiáng)化復(fù)雜加工場景設(shè)備穩(wěn)定性等，將是技術(shù)與裝備的主要發(fā)展方向

目前EBPBF 成形鎳基高溫合金的可行性與技術(shù)特點(diǎn)已經(jīng)得到了充分展示。在今后的發(fā)展中，逐步建立增材制造“設(shè)計(jì)-材料-工藝-組織-性能”的一體化研究開發(fā)框架，提高高溫合金關(guān)重部件的“控形控性”能力，增強(qiáng)生產(chǎn)過程的一致性與可靠性，是將技術(shù)與產(chǎn)品推向更廣闊應(yīng)用場景的重點(diǎn)。