增材制造镍基718合金各向异性延性的新见解

来源： 多尺度力学

增材制造（AM）合金的各向异性延性，即沿建筑方向（BD）的更好的延性已经被广泛的研究，传统上归因于晶体结构。然而，最近的研究表明，弱的或非织构的AM合金具有显著的延性各向异性，这表明其他因素也可能发挥关键作用。为了探索这一点，来自西安交通大学的Luqing Cui等选择了弱织构的AM Inconel 718作为模型材料，并采用原位高能x射线衍射试验和多尺度微观结构表征技术，探索其变形微观机理。研究结果首次揭示了AM合金的延性差异部分归因于塑性变形过程中{220}晶粒中微孔的关闭。此外，δ相的排列和晶界取向也被发现对各向异性延性有显著影响。

首先作者对材料进行了微观结构表征，得到如图1所示的图。可见目前的SLM IN718具有非均匀的晶粒结构。如图1(a)所示，在X-Y平面上，晶粒呈等轴形貌，而在BD-Y平面上，晶粒大部分呈伸长状，并偏向于BD。另外作者利用EBSD技术研究了晶体织构（如图1（c）），发现材料呈现弱织构。随后作者进行了力学试验得到如图2所示结果。图2清楚地表明，与水平样品相比，垂直样品的断裂伸长率增加了近50%，从12.04%上升到17.92%，速率为1.488。从以上结果中可以看出虽然目前的SLM IN718表现出较弱的纹理，但在垂直和水平样品之间的差异比较显著，前者显示出相当的强度，但显著更高的总延性。这一结果说明除了织构外，其他因素也可能对AM合金的各向异性延性产生重大影响。作者使用ISODEC软件计算了垂直样品和水平样品中不同晶格平面下的弹性模量，发现同一个晶格平面下垂直样品和水平样品的弹性模量差异比较大。为了探究塑性变形过程中微裂解机理与各向异性延性的关系

作者对水平样品进行了EBSD处理得到拉伸变形前后水平样品的晶界分布和相应的GND密度图（图3）。水平样品变形前后如图3(a)和3(b)的晶界分布，说明虽然变形时晶内位错密度也有所增加，但沿晶界形成的应力集中更明显。

对所选晶粒的微应力三轴性和应力状态分析表明，目前SLM IN718高温合金的临界TF值在0.3~0.4之间。由于观察到优先取向，{220}粒对延性的有利影响超过了{200}和{311}粒的不利影响，从而使两个样品的失效伸长率超过12%。垂直样品中{220}颗粒的负TF可能导致微孔的收缩甚至愈合，这是各向异性延性的一个贡献因素；结合多相微观结构中微裂纹行为的潜在机理和椭圆晶粒结构中δ相的应力分析，发现垂直载荷作用下容易开裂的椭圆表面积比随着纵横比的增大，逐渐降低，说明δ相空间排列（或晶粒形态）也对AM合金的各向异性延性有显著影响；δ相和γ基质之间的解聚是两种样品形成微裂纹的主要机制。由于目前SLM IN718的特征晶界取向（或细长晶粒结构），垂直样品在加载方向上的相邻δ相间距较大，这对各向异性延性起部分作用。

图1 SLM IN718经过多步热处理后的典型多尺度微观结构。(a)和(b)反极图（IPF）着色图，分别显示了X-Y和BD-Y平面上的晶粒形态。配色方案是基于BD的；(c)中ipf来源于（a）；(d)和(e)δ相分别在X-Y平面和BD-Y平面上的分布；(f)和(g)[001]定向暗场透射电镜显微图及其相应的选择区域电子衍射（SAED）模式，说明了γ‘和γ沉淀在γ基质中的分布。

图2 (a)水平和垂直样品的真应力-应变曲线和(b) 水平和垂直样品延性。(c)和(d)分别是水平和垂直样品的真应力-真应变曲线和真应变硬化曲线。

图3.（a1）-（a2）和（b1）-（b2）水平样品在拉伸变形前后的EBSD晶界分布及相应的GND密度图

相关研究成果以“New insights into the anisotropic ductility of additively manufactured Inconel 718”为题发表在International Journal of Plasticity上（VOL. 169, August 2023, 103738）论文第一作者Luqing Cui，通讯作者是Shuang Jiang和Weifeng He。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103738