鎳基合金鍛件 圓棒 應(yīng)用領(lǐng)域及標(biāo)準(zhǔn)GH3536（GH536）固溶強(qiáng)化型鎳基高溫合金

GH3536合金是一種主要以鉻和鉬固溶強(qiáng)化的鎳基高溫合金（對(duì)應(yīng)牌號(hào)為Hastelloy-X），具有良好的抗氧化性和耐腐蝕性能，在900℃仍具有中等的持久和蠕變強(qiáng)度，適用于制造高溫服役結(jié)構(gòu)的熱端零部件，如尾錐體、渦流排氣管和燃燒噴嘴殼體等。然而此類部件形狀復(fù)雜，內(nèi)部往往還存在流道或多孔結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)工藝多采用多次焊接復(fù)合而成，不僅難以保證尺寸精度，還會(huì)影響氣體流的穩(wěn)定性，即使通過精鍛工藝也難以滿足制造業(yè)的需求。選區(qū)激光熔化成形技術(shù)（selective laser melting,SLM）是一種以激光為熱源，通過對(duì)金屬粉末層進(jìn)行逐點(diǎn)熔化，逐線搭接，逐層凝固堆積的方式來實(shí)現(xiàn)高復(fù)雜度零件的一體化“近凈成形"技術(shù)，使得制約GH3536合金件加工的瓶頸問題迎刃而解。但由于SLM成形過程中合金粉末需在特定的極短交互時(shí)間內(nèi)完成熔化、凝固和冷卻，局部化熱輸入造成的溫度梯度與凝固過程中產(chǎn)生的較大殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致合金出現(xiàn)組織缺陷與成分偏析。因此，選區(qū)激光熔化成形件通常需進(jìn)行后熱處理來修復(fù)合金內(nèi)部缺陷，調(diào)控顯微組織的成分、結(jié)構(gòu)并改善合金的力學(xué)性能。

實(shí)驗(yàn)材料選取
本實(shí)驗(yàn)采用氣霧化球形GH3536合金粉末作為SLM沉積原料，合金粉末的化學(xué)成分如下圖所示，符合GB/T14992-2005中GH3536高溫合金的成分要求。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

（1）不同熱處理態(tài)的GH3536合金的室溫拉伸性能
對(duì)沿不同方向制備的SLM試樣、ST試樣和HIP試樣進(jìn)行室溫拉伸測(cè)試，并與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HB 5497-1992進(jìn)行了對(duì)比。3種試樣在室溫下沿橫/縱向的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度均超過鍛件標(biāo)準(zhǔn)的要求，但延伸率各有不同。SLM試樣沿橫向抗拉強(qiáng)度為769 MPa，比縱向高58 MPa；橫向屈服強(qiáng)度為465 MPa，比縱向高44 MPa；縱向延伸率為27.81%，比橫向高7.21%；即室溫下SLM試樣的拉伸性能存在各向異性。，合金的拉伸性能不僅受材料固有特性的影響，還與顯微組織結(jié)構(gòu)有關(guān)，對(duì)于SLM成形的試樣則更要考慮到熔池界的影響。SLM試樣的微觀組織可視為“熔池界-超細(xì)柱狀亞晶"的交錯(cuò)分布組成。一般來說，晶粒越細(xì)小抗拉強(qiáng)度越高，塑性越好。熔池界包圍區(qū)域內(nèi)為細(xì)長的柱狀微晶，均勻分布，保證了SLM試樣的高強(qiáng)度和良好的塑性，而空間分布的熔池界則會(huì)極大地影響SLM試樣的塑性。由于熔池界的結(jié)合性能本身弱于晶界，而且熔池搭接區(qū)的熔池界還存在局部“粗晶區(qū)"，使得熔池界成為試樣的性能薄弱區(qū)。當(dāng)SLM試樣進(jìn)行塑性變形時(shí)將優(yōu)先沿熔池界進(jìn)行滑移。而單位面積內(nèi)試樣在縱向截面的熔池界（長度）數(shù)量要遠(yuǎn)多于橫向截面，這意味著當(dāng)SLM試樣沿縱向進(jìn)行拉伸時(shí)，塑性變形更易進(jìn)行，因此在宏觀上表現(xiàn)出更優(yōu)秀的延伸率，但抗拉強(qiáng)度略低于橫向。

ST樣沿橫向的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度分別為695和382 MPa，延伸率為31.13%。沿縱向的力學(xué)性能與橫向基本相同，這與橫/縱向顯微組織相似的觀察結(jié)果相一致。熔池界的消除是ST試樣拉伸性能各向異性消失的主要原因。固溶處理消除了沉積態(tài)試樣的氣孔和裂紋等缺陷，且高溫處理會(huì)促進(jìn)組織中奧氏體數(shù)量的增多，導(dǎo)致ST試樣的延伸率明顯提高，與SLM試樣的橫向延伸率相比提高了10.53%。但固溶處理會(huì)使合金晶粒在高溫下發(fā)生再結(jié)晶與長大，導(dǎo)致其拉伸斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度發(fā)生明顯降低。HIP試樣與ST試樣的室溫拉伸力學(xué)行為相類似，但橫/縱向的抗拉強(qiáng)度約為728 MPa，屈服強(qiáng)度為429 MPa。雖然抗拉強(qiáng)度較SLM試樣的橫向抗拉強(qiáng)度低約41MPa，但比其縱向抗拉強(qiáng)度提高了11 MPa。延伸率達(dá)到38.65%，比ST試樣提升了7.52%，比SLM試樣的縱向延伸率提高了38.9%。HIP試樣的強(qiáng)度并未像ST試樣出現(xiàn)明顯的下降，這主要得益于合金內(nèi)部缺陷的消除與晶界形態(tài)的變化。

一方面，熱等靜壓處理后試樣的致密度較ST試樣更高；另一方面，HIP試樣在晶界析出的鏈狀M23C6在變形過程中可有效地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高合金的強(qiáng)度。盡管晶界碳化物作為脆性相，在拉伸過程中容易成為裂紋源，但其形成的鋸齒狀彎曲晶界反而會(huì)阻礙裂紋的萌生與擴(kuò)展。這是因?yàn)殇忼X狀的彎曲晶界凹凸不平，造成相鄰晶粒的晶面之間的咬合作用，變形過程中晶界彼此間滑移困難，迫使強(qiáng)度較高的晶內(nèi)部分參與變形，從而導(dǎo)致晶界上應(yīng)力松弛，阻礙裂紋的萌生。有研究表明：裂紋在擴(kuò)展過程中，鋸齒狀晶界能夠促使裂紋與晶界面之間的夾角偏離其初始入射角度，提高裂紋沿界面擴(kuò)展路徑的復(fù)雜崎嶇程度。這意味著鋸齒狀的彎曲晶界使得裂紋更加傾向于穿過晶界面而不是沿著晶界面進(jìn)行擴(kuò)展，從而對(duì)合金起到有效的增韌作用。

（2）不同熱處理態(tài)的GH3536合金的室溫拉伸斷口形貌分析

3種試樣的斷裂機(jī)制均為微孔聚集型的韌性斷裂，橢圓形的等軸韌窩沿?cái)嗔衙娣植?，但韌窩的尺寸與深度均不相同。其中，SLM試樣的韌窩結(jié)構(gòu)非常細(xì)小，平均直徑僅有0.5μm左右，深度較淺。還可以觀察到撕裂的熔池界裂紋，且熔池的高斯形狀弧面清晰可見，說明裂紋是沿著熔池界處萌生并擴(kuò)展，這從另一個(gè)角度也佐證了熔池界是組織力學(xué)性能的薄弱區(qū)。橫向SLM試樣在塑性變形過程中，其局部產(chǎn)生的應(yīng)力集中會(huì)破壞原子相互結(jié)合的力量，形成孔隙，這些微孔隨著變形的繼續(xù)而長大并相互連接形成裂紋。少量微小的韌窩存在，說明試樣在此處的斷裂是源于SLM成形過程中形成的微裂紋的擴(kuò)展，其在變形過程中參與塑性變形較少，因此造成了SLM試樣沿橫向較低的延伸率。

ST試樣斷口處的韌窩尺寸為0.8～1.0μm，且分布均勻，呈現(xiàn)穿晶-韌窩型斷裂特征，暗示了合金具有較好的延伸率。經(jīng)過熱等靜壓處理后，HIP試樣斷口處的韌窩數(shù)量明顯增多，尺寸也增大到2μm左右。與SLM試樣相比，鋸齒狀彎曲晶界的存在會(huì)促進(jìn)開動(dòng)周圍基體中滑移系，降低晶界處應(yīng)力集中，促進(jìn)塑性變形均勻分布，因此HIP試樣表現(xiàn)出了最佳的室溫拉伸性能，這與前述的拉伸試驗(yàn)結(jié)果相吻合。當(dāng)拉伸材料塑性較好時(shí)，具有不同取向晶粒之間的約束力較大，導(dǎo)致位錯(cuò)同時(shí)沿幾個(gè)相交的滑移面滑移后才能形成，這也從側(cè)面反映了HIP試樣具有優(yōu)秀的塑性變形能力。

結(jié)論
（1) 選區(qū)激光熔化成形的GH3536合金沉積態(tài)試樣的顯微組織主要由熔池界與超細(xì)的柱狀亞晶組成。熔池沿沉積方向呈現(xiàn)魚鱗狀分布，明顯區(qū)別于激光掃描方向的條狀分布，內(nèi)部存在少量氣孔與無序微裂紋。

（2）SLM試樣分別經(jīng)固溶處理與熱等靜壓處理后，合金試樣的熔池界形貌均已消失。ST較SLM試樣致密度提高了3.9%，顯微組織由交替分布的大小不等等軸晶粒組成，無第二相析出。HIP試樣顯微組織與ST試樣相類似，致密度達(dá)到94.1%。

（3) 3種試樣斷口均為典型的韌窩型斷裂，SLM試樣的拉伸性能存在各向異性，這是沉積過程中形成的熔池界在橫/縱方向分布不同所致。ST試樣抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均有下降，但延伸率提高至31.13%?？估瓘?qiáng)度和屈服強(qiáng)度下降較少，延伸率達(dá)到38.65%，這與HIP過程中形成的彎曲晶界有關(guān)。

上海鋼澤此次實(shí)驗(yàn)參考了諸多學(xué)術(shù)的理論及知識(shí)，希望可以給相關(guān)從業(yè)者帶來一絲靈感。