HastelloyX合金耐久试样进行安排功能与断口剖析

［摘要］经过对选区激光熔化成形HastelloyX合金耐久试样进行安排功能与断口剖析，研讨HastelloyX合金耐久断裂形式及影响耐久功能的首要因素，并对选区激光熔化成形与后处理进程进行安排演化规律追踪。

剖析认为，选区激光熔化成形HastelloyX合金耐久断裂形式为微孔聚合型沿晶韧窝断裂，碳化物的形态与数量、晶粒形态和取向是影响耐久功能的首要因素。

晶界薄膜状和较大颗粒状碳化物首要产生在热处理与热等静压冷却阶段，后续将调整后处理进程冷却速率，在碳化物分出峰附近快速冷却，控制碳化物形态与数量以有效提升HastelloyX合金耐久功能。

［关键词］选区激光熔化成形;HastelloyX合金;耐久功能;显微安排;碳化物

增材制作技能将信息化与制作技能高度融合，可实现高功能复杂结构金属零件的无模具、全细密、快速、近净成形，削减材料浪费，下降制作成本，并经过拓扑优化规划实现最小化装配和减重［1-2］。

选区激光熔化成形技能(SelectiveLaserMelting，SLM)作为一种典型的增材制作技能，使用高能激光完全熔化处于松懈状态的粉末薄层，经过逐层铺粉、逐层熔凝堆积办法成形，在获得高细密、高精度成形件方面具有突出的优势，首要用于复杂小型金属精细零件制作，在航空航天范畴有较广泛应用。

美国GE公司与斯奈克玛公司合作，选用SLM成形技能研发的燃油喷嘴现在已成功应用于Leap发动机［3］。

HastelloyX合金为一种固溶强化型镍基高温合金，在900℃以下有中等耐久强度，首要用于制作航空发动机燃烧室部件［4］。

现在，国内外针对选区激光熔化成形HastelloyX合金已开展部分研讨［5-9］，首要研讨成形工艺参数与后处理工艺对缺点、显微安排、室温拉伸功能的影响等，但关于合金耐久功能的研讨较少。

由于燃烧室部件作业条件恶劣，长时间处于高温工况，材料需具有优异的抗氧化、抗腐蚀功能，具有杰出的长时间安排稳定性，以及足够的高温强度，包含抗张强度、屈服强度和耐久、蠕变强度等。

实际作业中发现，SLM成形技能作为一种新技能，其产品安排与功能的一致性和稳定性是现在迫切需要解决的问题;因而，本研讨针对选区激光熔化成形HastelloyX合金耐久功能开展了一些作业。

1材料与办法对47批次成形与后处理工艺相同的选区激光熔化成形HastelloyX合金耐久功能进行计算剖析，计算成果如图1所示。

耐久试验条件为:温度815℃，应力105MPa，其间，横向表示试样轴向平行于打印基板，纵向表示试样轴向垂直于

从图中可以看出，SLM成形HastelloyX合金纵向试样耐久寿数与耐久延伸率均高于横向试样，纵向试样耐久功能优于横向试样。

此外，SLM成形HastelloyX合金耐久功能各批次存在功能动摇，稳定性较差，平均耐久寿数约44h，平均延伸率约14%。其间，10批次试样耐久寿数低于24h，17批次试样耐久延伸率低于10%，其耐久寿数与延伸率偏低。

就耐久试样横纵向功能差异问题、部分批次耐久寿数与延伸率偏低问题分别进行了研讨。HastelloyX合金粉末经选区激光熔化成形制备HastelloyX合金试棒，试棒经热处理与热等静压后处理工艺后，进行高温耐久试验，HastelloyX合金粉末描摹如图2所示。选用ZeissAxioImagerM2m金相显微镜观察显微安排描摹，使用ZeissSigma500扫描电镜表征耐久试样断口和高倍显微安排描摹。

2结果与分析2．1横纵向试样功用差异分析选区激光熔化成形HastelloyX合金经热处理与热等静压后，横纵向显微组织描画如图3所示。

纵向试样晶粒沿垂直于基板方向略有拉长，晶内碳化物部分沿纵向呈链状分布，这与沉积态组织中定向分布的枝晶成长方向符合，由于枝晶界是第二相构成元素富集方位，易于分出第二相，这些元素沿纵向呈链状分布，在热处理和热等静压过程中构成链状碳化物，而横向试样的晶粒基本呈等轴状分布，因枝晶界分布相对松散，碳化物呈弥散分布。

研究标明，比较于纵向试样，选区激光熔化成形HastelloyX合金横向试样室温拉伸功用呈现高强度低塑性特征，在文献［7-9］中也发现这种现象，可能与晶粒形状与碳化物分布有关，还需要开展更深化的研究工作对原因进行进一步的分析。

高温耐久实验过程中，在温度较高、应力较低的情况下，裂纹通常松散于晶界遍地，易在垂直于拉应力方向的晶界上形核，晶界滑动引起的应力会合与空位分散对裂纹的扩展起着重要作用［10］。

根据图1所示耐久寿数分布图，可以看出纵向试样耐久功用遍及优于横向试样。

这主要是纵向试样晶粒形状为沿拉应力方向的柱状晶，垂直于加载方向的横向晶界数量少，萌生微孔的数量较少，微孔萌生在不同高度差的横向晶界，聚合过程延伸，耐久功用优于横向。

2．2耐久断口分析对耐久实验后的断口进行分析，耐久断口平齐，无明显颈缩。纵向试样与横向试样断口的典型描画如图4、图5所示，断口均呈现沿晶韧窝特征，未发现明显缺点，断口表面掩盖许多氧化物，耐久实验时刻较长的试样因氧化较重，韧窝特征被氧化物掩盖，横向试样断口存在较明显的取向特征(图5)，无其他明显差异。

持久试样表面存在较多微小横向裂纹，在断口附近沿试样轴向剖面制备金相试样进行显微组织观察，如图6所示，断口附近可见多处垂直于主应力方向的微裂纹，裂纹处均可见连续碳化物分布。

微裂纹在晶界碳化物处萌生，更易在晶界大颗粒或连续薄膜状碳化物处萌生，裂纹萌生数量较多，经扩展后相互聚合形成宏观裂纹，引起断裂。由此可见，HastelloyX合金高温持久断裂模式属于典型微孔聚合型沿晶韧窝断裂，晶界碳化物为持久微裂纹萌生位置，尤其是晶界大颗粒、薄膜碳化物的存在，微孔或裂纹极易在此萌生，因此晶界碳化物的形态、分布是影响持久性能的重要因素。

2．2耐久实验后显微安排整体考虑横向、纵向试样，以耐久时刻24h、延伸率10%为功能指标，依据功能不同可将耐久试样分为3类:第一类，耐久寿数、延伸率均合格;第二类，耐久寿数偏低，延伸率合格;第三类，耐久寿数合格，延伸率偏低．不存在耐久寿数与延伸率均偏低的试样。

对耐久实验后试样的轴向显微安排进行观察，3类试样纵截面显微安排描摹如图7所示，耐久实验后，晶粒内部分出很多碳化物。

相对于第一类试样(图7a)，第二类试样晶界显着粗化，部分碳化物呈链状(图7b)，第三类试样晶粒内部碳化物显着增多(图7c)。

耐久实验后，晶界处与晶粒内部碳化物典型SEM描摹如图8所示，能够看出耐久实验过程中，针状碳化物在晶粒内部与晶界处分出，以晶内分出为主;晶界处碳化物呈薄膜状或大颗粒状散布。

相关研究表明，在晶界分出的颗粒状不连续碳化物，可阻止晶界滑动和裂纹扩展，进步耐久寿数，改善耐久塑性与韧性［11］;碳化物若以片状(针状)在晶界和晶粒内很多分出，则会使合金塑性下降;若其以膜状在晶界处分出，将失掉对晶界的钉扎作用并导致应力集中，促进碳化物与基体界面发生剥离以及蠕变孔洞形成和裂纹扩展，大幅下降合金的耐久功能。

比照耐久实验后各功能试棒纵截面显微安排可推断:耐久实验过程中，晶界碳化物分出呈薄膜状散布，晶界粗化，使晶界强度减弱，导致耐久寿数偏低;部分试样晶粒内部很多分出碳化物，使晶粒变形困难，导致耐久延伸率偏低，碳化物形状与数量是影响耐久功能的主要因素。

2．4成形与后处理过程中显微安排演变经过上述断口剖析与显微安排剖析能够确定，耐久功能偏低与碳化物形状、数量相关，为把握碳化物分出规律，对SLM成形与后处理过程中显微安排演变进行追踪。 

HastelloyX合金堆积态、热处理态、热等静压态的显微安排形貌如图9所示。如图9a所示，堆积态全体为分层堆积铸造安排，相似堆焊安排，枝晶沿凝结散热方向构成了柱状晶特征，后一个熔池在前一个熔池凝结的基础上凝结，无明显晶粒安排，仅可见铸造枝晶及堆积成形的弧形层状特征。

平行于堆积方向散布很多微裂纹，属典型热应力裂纹，因HastelloyX合金导热性较差，热散布不均匀引起的，一般产生于凝结初期或高温阶段，与激光热输入量，凝结冷却速率有关，热输入越大，上限温度越高，冷却速率越快，开裂敏感性越大。

如图9b所示，经热处理后，弧形层状铸造安排已完全消失构成等轴晶，晶界有颗粒状析出的碳化物，晶粒内部碳化物较少，堆积态裂纹未愈合。如图9c、图9d所示，经热处理与热等静压后，堆积态裂纹基本愈合，晶粒较热处理态明显增大，晶界或晶内均有颗粒状碳化物，晶内碳化物细小，晶界处碳化物呈链状散布，部分晶界构成了接连薄膜状碳化物。

文献［12］标明，M23C6型碳化物析出峰温度为850～980℃。链状或薄膜状碳化物富集的晶界应归于打印凝结构成的原始枝晶界，在随后的热处理和热等静压冷却过程中，碳化物很多时效析出，碳化物尺寸相对较小，但由于时效充沛，颗粒相互连接兼并，部分生成了薄膜状相，降低晶界高温强度，危害合金高温持久功能。

现有热处理冷却方法为真空气体冷却，热等静压工艺冷却方法为炉冷，冷却速率较慢，碳化物在冷却过程中时效析出。

调整热处理及热等静压冷却速度，在碳化物析出峰附近快速冷却，防止冷却过程中碳化物很多析出连接兼并，构成晶界薄膜相或大颗粒相，经过碳化物形状与数量的操控，提高HastelloyX合金持久功能。一起应注意，冷却速度操控会影响晶粒内部碳化物析出量，防止晶粒内部碳化物含量太低影响合金强度，含量太高影响合金塑性。经过重复工艺迭代，确定最优的显微安排形状，并监控不同批次合金的显微安排，以提高批次功能稳定性。 

3定论

1选区激光熔化成形HastelloyX合金纵向试样耐久功能优于横向试样，主要与晶粒形态和取向有关;

2选区激光熔化成形HastelloyX合金耐久断裂机制为微孔聚合型沿晶韧窝断裂;

3耐久实验过程中，HastelloyX合金晶界与晶内分出大量碳化物，耐久寿命偏低与试样晶界碳化物连续呈薄膜状分布使晶界强度减弱有关，耐久延伸率偏低与晶粒内部碳化物分出量增多相关，碳化物形态和数量是影响选区激光熔化成形HastelloyX合金耐久功能的主要因素。