［摘要］經(jīng)過對選區(qū)激光熔化成形HastelloyX合金耐久試樣進(jìn)行安排功能與斷口剖析，研討HastelloyX合金耐久斷裂形式及影響耐久功能的首要因素，并對選區(qū)激光熔化成形與后處理進(jìn)程進(jìn)行安排演化規(guī)律追蹤。

剖析認(rèn)為，選區(qū)激光熔化成形HastelloyX合金耐久斷裂形式為微孔聚合型沿晶韌窩斷裂，碳化物的形態(tài)與數(shù)量、晶粒形態(tài)和取向是影響耐久功能的首要因素。

晶界薄膜狀和較大顆粒狀碳化物首要產(chǎn)生在熱處理與熱等靜壓冷卻階段，后續(xù)將調(diào)整后處理進(jìn)程冷卻速率，在碳化物分出峰附近快速冷卻，控制碳化物形態(tài)與數(shù)量以有效提升HastelloyX合金耐久功能。

［關(guān)鍵詞］選區(qū)激光熔化成形;HastelloyX合金;耐久功能;顯微安排;碳化物

增材制作技能將信息化與制作技能高度融合，可實現(xiàn)高功能復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬零件的無模具、全細(xì)密、快速、近凈成形，削減材料浪費，下降制作成本，并經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化規(guī)劃實現(xiàn)最小化裝配和減重［1-2］。

選區(qū)激光熔化成形技能(SelectiveLaserMelting，SLM)作為一種典型的增材制作技能，使用高能激光完全熔化處于松懈狀態(tài)的粉末薄層，經(jīng)過逐層鋪粉、逐層熔凝堆積辦法成形，在獲得高細(xì)密、高精度成形件方面具有突出的優(yōu)勢，首要用于復(fù)雜小型金屬精細(xì)零件制作，在航空航天范疇有較廣泛應(yīng)用。

美國GE公司與斯奈克瑪公司合作，選用SLM成形技能研發(fā)的燃油噴嘴現(xiàn)在已成功應(yīng)用于Leap發(fā)動機(jī)［3］。

HastelloyX合金為一種固溶強(qiáng)化型鎳基高溫合金，在900℃以下有中等耐久強(qiáng)度，首要用于制作航空發(fā)動機(jī)燃燒室部件［4］。

現(xiàn)在，國內(nèi)外針對選區(qū)激光熔化成形HastelloyX合金已開展部分研討［5-9］，首要研討成形工藝參數(shù)與后處理工藝對缺點、顯微安排、室溫拉伸功能的影響等，但關(guān)于合金耐久功能的研討較少。

由于燃燒室部件作業(yè)條件惡劣，長時間處于高溫工況，材料需具有優(yōu)異的抗氧化、抗腐蝕功能，具有杰出的長時間安排穩(wěn)定性，以及足夠的高溫強(qiáng)度，包含抗張強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和耐久、蠕變強(qiáng)度等。

實際作業(yè)中發(fā)現(xiàn)，SLM成形技能作為一種新技能，其產(chǎn)品安排與功能的一致性和穩(wěn)定性是現(xiàn)在迫切需要解決的問題;因而，本研討針對選區(qū)激光熔化成形HastelloyX合金耐久功能開展了一些作業(yè)。

1材料與辦法對47批次成形與后處理工藝相同的選區(qū)激光熔化成形HastelloyX合金耐久功能進(jìn)行計算剖析，計算成果如圖1所示。

耐久試驗條件為:溫度815℃，應(yīng)力105MPa，其間，橫向表示試樣軸向平行于打印基板，縱向表示試樣軸向垂直于

從圖中可以看出，SLM成形HastelloyX合金縱向試樣耐久壽數(shù)與耐久延伸率均高于橫向試樣，縱向試樣耐久功能優(yōu)于橫向試樣。

此外，SLM成形HastelloyX合金耐久功能各批次存在功能動搖，穩(wěn)定性較差，平均耐久壽數(shù)約44h，平均延伸率約14%。其間，10批次試樣耐久壽數(shù)低于24h，17批次試樣耐久延伸率低于10%，其耐久壽數(shù)與延伸率偏低。

就耐久試樣橫縱向功能差異問題、部分批次耐久壽數(shù)與延伸率偏低問題分別進(jìn)行了研討。HastelloyX合金粉末經(jīng)選區(qū)激光熔化成形制備HastelloyX合金試棒，試棒經(jīng)熱處理與熱等靜壓后處理工藝后，進(jìn)行高溫耐久試驗，HastelloyX合金粉末描摹如圖2所示。選用ZeissAxioImagerM2m金相顯微鏡觀察顯微安排描摹，使用ZeissSigma500掃描電鏡表征耐久試樣斷口和高倍顯微安排描摹。

2結(jié)果與分析2．1橫縱向試樣功用差異分析選區(qū)激光熔化成形HastelloyX合金經(jīng)熱處理與熱等靜壓后，橫縱向顯微組織描畫如圖3所示。

縱向試樣晶粒沿垂直于基板方向略有拉長，晶內(nèi)碳化物部分沿縱向呈鏈狀分布，這與沉積態(tài)組織中定向分布的枝晶成長方向符合，由于枝晶界是第二相構(gòu)成元素富集方位，易于分出第二相，這些元素沿縱向呈鏈狀分布，在熱處理和熱等靜壓過程中構(gòu)成鏈狀碳化物，而橫向試樣的晶粒基本呈等軸狀分布，因枝晶界分布相對松散，碳化物呈彌散分布。

研究標(biāo)明，比較于縱向試樣，選區(qū)激光熔化成形HastelloyX合金橫向試樣室溫拉伸功用呈現(xiàn)高強(qiáng)度低塑性特征，在文獻(xiàn)［7-9］中也發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象，可能與晶粒形狀與碳化物分布有關(guān)，還需要開展更深化的研究工作對原因進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

高溫耐久實驗過程中，在溫度較高、應(yīng)力較低的情況下，裂紋通常松散于晶界遍地，易在垂直于拉應(yīng)力方向的晶界上形核，晶界滑動引起的應(yīng)力會合與空位分散對裂紋的擴(kuò)展起著重要作用［10］。

根據(jù)圖1所示耐久壽數(shù)分布圖，可以看出縱向試樣耐久功用遍及優(yōu)于橫向試樣。

這主要是縱向試樣晶粒形狀為沿拉應(yīng)力方向的柱狀晶，垂直于加載方向的橫向晶界數(shù)量少，萌生微孔的數(shù)量較少，微孔萌生在不同高度差的橫向晶界，聚合過程延伸，耐久功用優(yōu)于橫向。

2．2耐久斷口分析對耐久實驗后的斷口進(jìn)行分析，耐久斷口平齊，無明顯頸縮?？v向試樣與橫向試樣斷口的典型描畫如圖4、圖5所示，斷口均呈現(xiàn)沿晶韌窩特征，未發(fā)現(xiàn)明顯缺點，斷口表面掩蓋許多氧化物，耐久實驗時刻較長的試樣因氧化較重，韌窩特征被氧化物掩蓋，橫向試樣斷口存在較明顯的取向特征(圖5)，無其他明顯差異。

持久試樣表面存在較多微小橫向裂紋，在斷口附近沿試樣軸向剖面制備金相試樣進(jìn)行顯微組織觀察，如圖6所示，斷口附近可見多處垂直于主應(yīng)力方向的微裂紋，裂紋處均可見連續(xù)碳化物分布。

微裂紋在晶界碳化物處萌生，更易在晶界大顆?；蜻B續(xù)薄膜狀碳化物處萌生，裂紋萌生數(shù)量較多，經(jīng)擴(kuò)展后相互聚合形成宏觀裂紋，引起斷裂。由此可見，HastelloyX合金高溫持久斷裂模式屬于典型微孔聚合型沿晶韌窩斷裂，晶界碳化物為持久微裂紋萌生位置，尤其是晶界大顆粒、薄膜碳化物的存在，微孔或裂紋極易在此萌生，因此晶界碳化物的形態(tài)、分布是影響持久性能的重要因素。

2．2耐久實驗后顯微安排整體考慮橫向、縱向試樣，以耐久時刻24h、延伸率10%為功能指標(biāo)，依據(jù)功能不同可將耐久試樣分為3類:第一類，耐久壽數(shù)、延伸率均合格;第二類，耐久壽數(shù)偏低，延伸率合格;第三類，耐久壽數(shù)合格，延伸率偏低．不存在耐久壽數(shù)與延伸率均偏低的試樣。

對耐久實驗后試樣的軸向顯微安排進(jìn)行觀察，3類試樣縱截面顯微安排描摹如圖7所示，耐久實驗后，晶粒內(nèi)部分出很多碳化物。

相對于第一類試樣(圖7a)，第二類試樣晶界顯著粗化，部分碳化物呈鏈狀(圖7b)，第三類試樣晶粒內(nèi)部碳化物顯著增多(圖7c)。

耐久實驗后，晶界處與晶粒內(nèi)部碳化物典型SEM描摹如圖8所示，能夠看出耐久實驗過程中，針狀碳化物在晶粒內(nèi)部與晶界處分出，以晶內(nèi)分出為主;晶界處碳化物呈薄膜狀或大顆粒狀散布。

相關(guān)研究表明，在晶界分出的顆粒狀不連續(xù)碳化物，可阻止晶界滑動和裂紋擴(kuò)展，進(jìn)步耐久壽數(shù)，改善耐久塑性與韌性［11］;碳化物若以片狀(針狀)在晶界和晶粒內(nèi)很多分出，則會使合金塑性下降;若其以膜狀在晶界處分出，將失掉對晶界的釘扎作用并導(dǎo)致應(yīng)力集中，促進(jìn)碳化物與基體界面發(fā)生剝離以及蠕變孔洞形成和裂紋擴(kuò)展，大幅下降合金的耐久功能。

比照耐久實驗后各功能試棒縱截面顯微安排可推斷:耐久實驗過程中，晶界碳化物分出呈薄膜狀散布，晶界粗化，使晶界強(qiáng)度減弱，導(dǎo)致耐久壽數(shù)偏低;部分試樣晶粒內(nèi)部很多分出碳化物，使晶粒變形困難，導(dǎo)致耐久延伸率偏低，碳化物形狀與數(shù)量是影響耐久功能的主要因素。

2．4成形與后處理過程中顯微安排演變經(jīng)過上述斷口剖析與顯微安排剖析能夠確定，耐久功能偏低與碳化物形狀、數(shù)量相關(guān)，為把握碳化物分出規(guī)律，對SLM成形與后處理過程中顯微安排演變進(jìn)行追蹤。 

HastelloyX合金堆積態(tài)、熱處理態(tài)、熱等靜壓態(tài)的顯微安排形貌如圖9所示。如圖9a所示，堆積態(tài)全體為分層堆積鑄造安排，相似堆焊安排，枝晶沿凝結(jié)散熱方向構(gòu)成了柱狀晶特征，后一個熔池在前一個熔池凝結(jié)的基礎(chǔ)上凝結(jié)，無明顯晶粒安排，僅可見鑄造枝晶及堆積成形的弧形層狀特征。

平行于堆積方向散布很多微裂紋，屬典型熱應(yīng)力裂紋，因HastelloyX合金導(dǎo)熱性較差，熱散布不均勻引起的，一般產(chǎn)生于凝結(jié)初期或高溫階段，與激光熱輸入量，凝結(jié)冷卻速率有關(guān)，熱輸入越大，上限溫度越高，冷卻速率越快，開裂敏感性越大。

如圖9b所示，經(jīng)熱處理后，弧形層狀鑄造安排已完全消失構(gòu)成等軸晶，晶界有顆粒狀析出的碳化物，晶粒內(nèi)部碳化物較少，堆積態(tài)裂紋未愈合。如圖9c、圖9d所示，經(jīng)熱處理與熱等靜壓后，堆積態(tài)裂紋基本愈合，晶粒較熱處理態(tài)明顯增大，晶界或晶內(nèi)均有顆粒狀碳化物，晶內(nèi)碳化物細(xì)小，晶界處碳化物呈鏈狀散布，部分晶界構(gòu)成了接連薄膜狀碳化物。

文獻(xiàn)［12］標(biāo)明，M23C6型碳化物析出峰溫度為850～980℃。鏈狀或薄膜狀碳化物富集的晶界應(yīng)歸于打印凝結(jié)構(gòu)成的原始枝晶界，在隨后的熱處理和熱等靜壓冷卻過程中，碳化物很多時效析出，碳化物尺寸相對較小，但由于時效充沛，顆粒相互連接兼并，部分生成了薄膜狀相，降低晶界高溫強(qiáng)度，危害合金高溫持久功能。

現(xiàn)有熱處理冷卻方法為真空氣體冷卻，熱等靜壓工藝?yán)鋮s方法為爐冷，冷卻速率較慢，碳化物在冷卻過程中時效析出。

調(diào)整熱處理及熱等靜壓冷卻速度，在碳化物析出峰附近快速冷卻，防止冷卻過程中碳化物很多析出連接兼并，構(gòu)成晶界薄膜相或大顆粒相，經(jīng)過碳化物形狀與數(shù)量的操控，提高HastelloyX合金持久功能。一起應(yīng)注意，冷卻速度操控會影響晶粒內(nèi)部碳化物析出量，防止晶粒內(nèi)部碳化物含量太低影響合金強(qiáng)度，含量太高影響合金塑性。經(jīng)過重復(fù)工藝迭代，確定最優(yōu)的顯微安排形狀，并監(jiān)控不同批次合金的顯微安排，以提高批次功能穩(wěn)定性。 

3定論

1選區(qū)激光熔化成形HastelloyX合金縱向試樣耐久功能優(yōu)于橫向試樣，主要與晶粒形態(tài)和取向有關(guān);

2選區(qū)激光熔化成形HastelloyX合金耐久斷裂機(jī)制為微孔聚合型沿晶韌窩斷裂;

3耐久實驗過程中，HastelloyX合金晶界與晶內(nèi)分出大量碳化物，耐久壽命偏低與試樣晶界碳化物連續(xù)呈薄膜狀分布使晶界強(qiáng)度減弱有關(guān)，耐久延伸率偏低與晶粒內(nèi)部碳化物分出量增多相關(guān)，碳化物形態(tài)和數(shù)量是影響選區(qū)激光熔化成形HastelloyX合金耐久功能的主要因素。