鈦合金粉末冶金工藝有幾種（雷射增材製造冶金學方面綜述）

2023-10-19 01:36:38 1

江蘇雷射聯盟導讀：

本文重點介紹了各種實際應用的先進和高適用材料的微觀結構、功能和機械性能，包括不鏽鋼、鎳基和高溫合金、鈦基合金和金屬基複合材料（MMC），以及不同預處理和後處理特性的影響。本文為第四部分。

３．２．機械性能

3.2.1 殘餘孔隙度對LAM製件的影響

通過LAM可以製造出與傳統方法相似的機械性能的高密度金屬零件。製造具有理想機械性能的高質量零件的一個主要挑戰是避免這些零件的多孔結構。這些氣孔會促進裂紋的萌生和塑性及衝擊性能的劣化。因此，製造高密度零件成為LAM處理中參數優化的首要任務。

密度通常由光束的體積能量強度決定。如果能量輸入過低，在製造過程中熔化不足會導致製造零件中出現空隙，從而降低體積密度。另一方面，過量的體積能量會導致更嚴重的熔池動力學、揮發性飛濺、材料蒸發和氣體滯留在該區域內，這也會導致孔隙率，由於球形孔隙的存在，導緻密度降低。這也會導致熱應力，並在表層引發成球效應。

過度偏離優化參數會導致機械性能惡化。就Ti–6Al–4V合金和316L不鏽鋼而言，熔化不足可能會導致一系列缺陷。因為較大的缺陷可能會導致材料中更大的應力集中，這可能比球形孔對製造結構的機械性能產生更多破壞性後果。

上圖（a）顯示了一個Al–Si10–Mg SLM試樣。「x」用於表示在重複CT測量期間X射線束將被引導到的面。構建方向用z表示，每個試樣的頂面（z=5mm）對應於SLM工藝的最後一層。圖（b）顯示了從CT數據獲得的圖（a）中立方體的三維重建。

在一項關於Ti–6Al–4V合金的研究中，觀察到不是由氣體截留引起的球形氣孔。這些氣孔是由於在形成過程中基板表面的熔化不足造成的。為了驗證這一理論的有效性，這些氣孔被HIP封閉，然後進行熱處理，之後沒有重新打開。HIP工藝被認為是一種成功的方法，可以最大限度地減少氣孔，並控制其對裝配部件的破壞性影響。通過優化LAM和HIP工藝參數，可以去除幾乎所有的孔隙，從而達到99.95%的最大密度。

在使用粉末之前重新熔化一層被認為是減少殘餘孔隙率的另一種方法。這樣熔體池中的孔隙就被阻止，晶粒結構被細化。這是由於與粉末相關的固結材料的高導熱性。另一方面，對於熱處理與孔隙度之間關係的研究還沒有顯示出令人滿意的結果。

後續熱處理後拋光和蝕刻SLM試樣的光學顯微照片。

上圖顯示了試樣的微觀結構演變，其中竣工條件下的特徵SLM熔體池（由細胞狀樹枝狀結構向粗胞狀樹枝狀結構的轉變）在熱處理後產生了團聚Si顆粒的粗結構。在較低的退火溫度下，矽擴散出鋁矽基體，形成小顆粒。隨著溫度的升高，這些顆粒團聚，形成指數級的大顆粒，消除了熔池邊界。用光學顯微鏡觀察到的黑色薄片對應於在Si Kα1 X射線發射能量下通過能量色散X射線光譜（EDX）映射確定的Si濃度。

3.2.2. LAM產品的強度和延伸率

製造零件的微觀結構和密度是決定強度的關鍵因素。由於快速凝固效應，與傳統方法製造的零件相比，LAM製造的零件具有更精細的微觀結構和更高的拉伸強度。Hall-Petch關係是將LAM部件的屈服強度與平均晶粒尺寸聯繫起來的一種公認的方法。

通過LOM和EBSD圖像顯示顆粒結構和局部紋理。(a)顯示EBSD逆極圖(b)和(c)位置的LOM圖像。(d) (c)點對點圖像質量和錯向區之間的旋轉角度(上)。

微觀結構與拉伸性能之間的關係表明，微觀結構的織構和各向異性也會導致拉伸性能的各向異性。通過大量研究證明了這一點，在LAM的情況下，這些屬性通常沿建築方向最高。

本節回顧了LAM預製件的機械強度和延展性，並討論了微觀結構、織構、各向異性和性能之間的關係。

3.2.2.1. 鋼

基於LAM加工鋼的不同結構以及由此產生的此類產品的機械性能，將在兩個小節中討論它們的性能。第一部分主要介紹奧氏體不鏽鋼的性能，這些不鏽鋼主要用於無需任何熱處理的場合。第二節討論了可熱處理沉澱硬化不鏽鋼的性能。

3.2.2.1.1. 無共析相變的奧氏體不鏽鋼

在奧氏體不鏽鋼中，304不鏽鋼（304）、304L不鏽鋼（304L）、316不鏽鋼（316）和316L不鏽鋼（316L）是最受研究的LAM加工結構合金，這些合金在製造條件下可能形成γ-奧氏體和δ-鐵素體晶粒。採用常規工藝加工時，其結構完全為奧氏體；然而，當採用LAM技術製造時，這些合金通常表現出比傳統製造的同類合金更高的屈服強度、極限拉伸強度和硬度，這是因為它們具有細化的結構，如表2所示。然而，由於顯微結構的不同以及通過LAM工藝製造的構件的快速凝固，它們通常比通過傳統方法製造的構件表現出更低的延展性。

表2 根據不同的加工參數，將不同等級的雷射增材製造的奧氏體不鏽鋼的機械性能與這些合金的常規製造狀態與樣品規格進行了比較，總結了這些合金的機械性能。

LAM零件的高強度與以下因素有關：

一、快速凝固導致晶粒細化。

二、由快速凝固和殘餘應力引起的裝配零件的通常高位錯密度。

可以利用以下幾個因素來論證LAM產品的低延伸率：

i、 強度-延性權衡

ii、LAM預製件的高位錯密度

iii、內部缺陷，例如導致應力集中的線形氣孔或嚴重未熔合

iv、細化晶粒結構導致位錯堆積[30177178]。

通過提高線性熱輸入，由DED製造的奧氏體不鏽鋼具有較低的屈服強度和極限抗拉強度。然而，製造零件的強度似乎與體積熱輸入的任何變化無關。線性熱輸入越低，熔池越小，這意味著LAM製造零件的熱梯度越高，冷卻速度越快。這導致細化組織的形成，從而產生更高的屈服率和抗拉強度。由於文獻報導的數據不足，在大多數情況下無法推導出體積熱輸入，因此強度與體積熱輸入之間沒有明確的關係。

一部分雷射能量用於熔化基板，這取決於組件的雷射能量吸收率。除此之外，根據使用的雷射類型，吸收的能量可能會有所不同。CO2雷射器和Nd:YAG雷射器相比，當採用等線性熱輸入時，Nd:YAG雷射器的能量吸收更高。

PBF製造的奧氏體不鏽鋼在其強度和製造過程中施加的線性或體積熱輸入之間沒有明確的關係。在這種技術中，掃描策略決定了製造零件的熱歷史。不同的研究使用不同的掃描策略，這可能是這些研究中掩蓋強度和熱量輸入之間關係的一個因素。

如前所述，粉末床LAM工藝過程中，建築方向上的熱梯度最高，晶粒朝這個方向定向。這可能會導致LAM零件的各向異性。一般來說，縱向（X–Y）裝配的奧氏體不鏽鋼部件的強度高於建築方向（Z）。通過DED工藝生產的奧氏體不鏽鋼部件的伸長率通常與強度成反比，這意味著，縱向路徑的伸長率最多等於建築方向的伸長率。在PBF技術中，能量密度、熱梯度、方向和機械強度之間沒有特定的關係。

圖19a、b分別代表了經LAM處理的316L和304L不鏽鋼獲得的最高機械性能。根據數據，PBF工藝的抗拉強度比DED和商用試樣更高。然而，在316L的情況下，更高的強度伴隨著塑性降低的代價。另一方面，304L試樣顯示出合適的延展性，同時比商業零件具有更好的強度。

圖19 柱狀圖顯示了LAM沉積（a）S316L和（b）S304L奧氏體不鏽鋼在不同製造參數下的主要拉伸性能。這些曲線圖對應於表2所示的臨界拉伸數據。

3.2.2.1.2. 奧氏體到鐵素體相變的不鏽鋼

在LAM加工的沉澱硬化（PH）不鏽鋼中，17-4 PH不鏽鋼（17-4 PH）（也稱為AISI 630級沉澱硬化馬氏體不鏽鋼）和15-5 PH不鏽鋼（15-5 PH），（也稱為AISI S15500級沉澱硬化馬氏體不鏽鋼），是最受歡迎的材料。在氮氣中加工時，裝配零件的微觀結構由奧氏體（50–75 vol%）和馬氏體組成，在氬氣中加工時，通常由馬氏體（92 vol%）組成。然後通過熱處理，在馬氏體背景中有控制地析出富cu相，從而提高了強度。

一般來說，與傳統製造和熱處理零件相比，裝配零件在竣工條件下的屈服強度較低。這可能是因為LAM零件結構中存在軟奧氏體。在LAM零件上施加塑性變形時，殘餘奧氏體可以轉變為馬氏體。這意味著這些零件具有特殊的加工硬化，從而比熱處理的LAM零件或常規製造和熱處理的對應零件具有更好的延伸率和極限拉伸強度。

此時，由於缺乏數據，竣工17-4 PH不鏽鋼的強度和線性熱輸入之間沒有明確的關係。然而，與竣工部件相比，老化似乎對LAM製造的17-4 PH不鏽鋼的強度有積極影響。然而，應注意的是，固溶退火後的峰值時效（H900）比製造材料的直接時效更有效。在這種情況下，表3總結了使用不同系統和材料生產的沉澱硬化LAM沉積部件的機械性能結果。

表3 沉澱硬化對竣工狀態下不鏽鋼機械性能的影響。

眾所周知，銅在奧氏體相中高度可溶，在時效17-4 PH不鏽鋼中保持奧氏體結構是優化沉澱硬化的一個挑戰。在整個固溶退火過程中，奧氏體轉變為馬氏體。這導致富cu相析出，從而提高屈服強度和極限抗拉強度。然而，必須仔細選擇隨後的時效過程，以防止粗沉澱物的形成。如表4所示，過度老化（H1025和H1150）會對金屬部件的強度產生負面影響。

表4 與相同規格的商用鋼相比，製造後熱處理對沉澱硬化控制的LAM印刷不鏽鋼機械性能的影響。

當進行拉伸試驗時，孔隙度小於0.1%的製造試樣表現出韌性斷裂，這與通過商業程序沉積的對應試樣相似。相反，高達2.4%的剩餘孔隙度將導致脆性破壞，並顯著降低金屬部件的伸長率。由於快速的裂紋形核，LAM缺陷在拉伸試驗中引起應力集中，導致PH不鏽鋼的塑性降低。最常見的缺陷是未熔合或粉末熔化不足造成的氣孔，以及第二相顆粒，這些缺陷導致LAM組件的延展性較低。

圖20顯示了在不同工藝和不同方向上獲得的最佳機械性能。實驗結果表明，新型LAM構件的屈服強度低於變形試樣。試樣的伸長率隨加工參數和試驗方向的不同而變化很大。然而，與鍛造零件相比，PBF零件具有相當的延展性。熱處理的LAM試樣與製造的LAM材料相比具有更高的強度，儘管鍛造部件通常具有更高的韌性。

圖20 柱狀圖顯示了與其他商業製造方法（組合鑄造、成型和熱處理）相比，根據不同PBF和DED路線沉積的17-4 PH不鏽鋼的主要拉伸性能。值得注意的是，該圖是表3、表4中關於該鋼材料的拉伸數據的柱狀圖。

當考慮到圖12、圖13所示的結晶織構，以及圖16所示的S316L奧氏體和S410L馬氏體不鏽鋼在鍛造條件下與雷射增材製造後的微觀結構特徵時，這些材料的機械性能可能會顯著不同。值得一提的是，S316L是奧氏體，不會進一步轉變，S410L是馬氏體，具有奧氏體到鐵素體的相變。在這種情況下，這些材料的拉伸流動行為在圖21中進行了說明和比較。對於LAM沉積後的奧氏體不鏽鋼，其強度和延展性均明顯低於商用鍛造材料，這是由於定向凝固促進了非常粗糙和細長晶粒的形成。然而，對於馬氏體不鏽鋼而言，LAM沉積可將抗拉強度提高兩倍以上，儘管其代價是塑性大幅降低。邊界附近馬氏體板條和微孿晶的形成改變了塑性變形機制，控制了硬化和脆性拉伸行為。

圖21 工程應力-應變曲線，比較雷射增材製造的奧氏體和馬氏體不鏽鋼與通過軋制商業製造的奧氏體和馬氏體不鏽鋼的拉伸流動行為。

3.2.2.2. 鎳基高溫合金

Inconel 625、Inconel 718和Invar36是主要的鎳基合金，它們在增材製造中吸引了最多的研究興趣。基於鎳基高溫合金（Inconel 625和718）在高溫下保持強度的能力，它們被認為是製造航空航天等高科技行業零件的良好選擇[。表5總結了LAM預製件的主要機械性能。一般來說，金屬部件的強度和彈性之間需要權衡。根據文獻中的可用數據，這些合金的強度與其延展性之間沒有明顯的聯繫。

表5 總結了預製和熱處理鎳基合金的主要拉伸性能，與這些合金在相同規格下的常規狀態相比。

然而，結果表明，在縱向進行機械試驗時，部件的強度略有增加。研究表明，與縱向和橫向相比，沒有任何可靠的模式來描述LAM結構機械特性的各向異性。然而，顆粒高度朝向建築方向。整體趨勢表明，隨著線性熱輸入的增加，試樣的拉伸特性增加，尤其是在Inconel 718中。然而，由於缺乏數據，無法就LAM製造的鎳基合金的機械性能（屈服強度、極限拉伸強度和延展性）與線性或體積熱輸入之間的關係得出任何有力的結論。

已經證明，零件的熱處理會顯著影響其機械性能。在熱處理過程中，組件的抗拉強度通常會由於沉澱而降低，儘管這與恢復和晶粒生長過程中的位錯湮滅有關。通過熱等靜壓處理進一步處理的試樣通常表現出較低的拉伸強度，由於孔隙閉合，塑性和疲勞性能得到改善。固溶處理等處理會顯著改變微觀結構中的相，並極大地影響試樣的整體性能。當隨後進行時效時，該工藝可使構件具有較高的強度和可接受的延展性。採用LAM工藝製造的零件的性能與採用傳統製造方法製造的零件相當。

圖22比較了Inconel 718高溫合金試樣在不同處理前後的拉伸性能。試樣的熱等靜壓處理和固溶退火導致了所生產零件的延展性。該模型顯示，在保持極限強度的同時，伸長率顯著增加，而屈服強度略有下降。試樣的類似極限強度源於此類處理後試樣的強度淬透性。經過時效處理的樣品顯示出更高的拉伸強度，其延展性與製造件相當。然而，時效材料的延性明顯低於HIPed或溶解退火材料。

圖22 熱處理前後Inconel 718試樣的應力-應變曲線。

圖23顯示了文獻中獲得的主要拉伸性能之間的比較。數據表明，與商業狀態相比，在PBF列印模式下，Inconel 718高溫合金的強度和彈性略有增加。與商業和PBF模型相比，粉末進料樣品表現出不理想的機械性能。然而，對此類試樣進行熱處理後，其機械性能可與商用和PBF製造的試樣相媲美。

圖23 雷射增材製造的Inconel 718高溫合金與商用變形合金熱處理前後的拉伸性能比較。

來源：A review on metallurgical aspects of laser additive manufacturing(LAM): Stainless steels, nickel superalloys, and titanium alloys，Journal of Materials Research and Technology，doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.12.039

參考文獻：J. Alcisto, A. Enriquez, H. Garcia, S. Hinkson, T. Steelman, E.Silverman, et al.，Tensile properties and microstructures of laser-formed Ti-6Al-4V，J Mater Eng Perform, 20 (2) (2011), pp. 203-212

江蘇雷射聯盟陳長軍原創作品！