《Nature》子刊：一种3D打印的高强度、抗缺陷高温合金！

来源：材料科学与工程

增材制造有望实现高经济价值金属材料生产的重大转变，使具有创新、复杂的设计和最小的材料浪费成为可能。最大的挑战是合金设计，既要与独特的添加剂处理条件兼容，又要保证材料性能足以应对能源、空间和核应用等具有挑战性的环境。

近日，来自美国加州大学圣巴巴拉分校的Tresa M. Pollock等研究者，报道了一类高强度、抗缺陷的3D打印高温合金，成分主要是含有大约相等的Co和Ni，以及Al、Cr、Ta和W。在打印和后期加工时具有超过1.1 GPa的强度，在室温下拉伸延性大于13%。相关论文以题为“A defect-resistant Co–Ni superalloy for 3D printing”发表在NatureCommunications上。

论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-18775-0

基于金属的增材制造(AM)，或三维打印(3D)，能够以优化的几何形状制造接近净形状的金属部件，这是传统制造技术无法实现的。由于设计灵活性的提高，人们对将3D打印方法应用于生物医学、汽车和航空航天的商用合金产生了浓厚的兴趣。然而，只有有限数量的现有合金能够适应金属基体AM过程中出现的复杂热条件，即通过激光或电子束能量源对金属粉末进行局部熔化来实现组件的逐层生长。

由于镍基高温合金在高温下具有优异的机械性能，因此它们是制造结构部件的首选材料，如用于飞机发动机和陆地天然气涡轮高温部分的单晶(SX)涡轮叶片和叶片。这些合金由高体积分数(>0.6)亚微米尺寸的立方型析出相γ′(Ni3(Al,Ti)，L12)组成，这些析出相与固溶强化基体相一致，或γ相(Ni, A1)。然而，许多性能最好的镍基高温合金被发现是不可焊的，这是由于凝固后不久的凝固相γ′快速沉淀，增强了附近凝固的材料，阻碍了热应力的松弛，导致应变时效开裂。

当液相γ凝固时，通过γ′排斥形成液相的元素，如铝、钛和Ta，使液相局部富集。这种溶质分离降低了局部液相线的温度，在固体枝晶之间形成了富含溶液的液体薄膜，在冷却过程中，固体枝晶在熔体池中以不同的速率收缩，导致拉应力和开裂。在给定温度下，通过改变合金成分，控制液相成分和组分，可以影响裂纹敏感性。原则上，溶质的分离和沉淀过程可以被整体成分的变化所改变。

高性能工程合金的开裂敏感性，包括高容积率γ′镍基高温合金，高强度铝合金和耐火合金，成为了这些合金用于增材制造的主要障碍。对于在较低温度下工作的合金，如高强度铝合金，通过对粉末表面功能化来控制熔池中的晶粒形核可以减轻裂纹问题。然而，这导致晶粒尺寸小，不宜高温操作。因此，AM需要创新的合金设计，尤其是在更恶劣的环境下。

本文中，研究者提出了一种可以通过选择性激光熔炼(SLM)和电子束熔炼(EBM)两种制造途径加工的CoNi-基高温合金，尽管存在高体积分数的理想“熔化”相γ′，但仍可产生无裂纹的部件。在凝固过程中，较低的溶质偏析降低了裂纹敏感性，而一旦凝固完成，降低的液相γ′-“溶解”温度减轻了开裂。室温拉伸试验表明，与目前正在研究的其他镍基高温合金相比，CoNi-基高温合金具有优良的延性和强度组合。

图1 利用EBM和SLM增材制造CoNi-基高温合金

图2 在布里奇曼浇铸、EBM和SLM后的打印化学分离

图3 定量EPMA的地图

图4 EBM在后处理前后的微观结构演变

图5 后处理前后SLM的微观结构演变

图6 SB-CoNi-10在室温下EBM和SLM的拉伸试验

图7 EBM事后拉伸标本的EBSD

综上所述，研究者最近开发的CoNi-基高温合金SB-CoNi-10，已经成功地使用EBM和SLM进行了打印。打印的微观结构显示，在EBM和SLM凝固过程中，良好的溶质分配与良好的γ′-“溶解”温度相结合，可以抑制开裂。对CoNi-基高温合金成分进一步研究，对今后的AM应用具有广阔的前景。新兴的高通量实验和计算工具现在能够快速探索多维成分空间，以发现AM所需的合金。