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(guò)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(guò)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(lái)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(wèn)題迎刃而解。但由于SLM成形過(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(lái)說(shuō)，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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(shuō)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(guò)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(zhǎng)大并相互連接形成裂紋。少量微小的韌窩存在，說(shuō)明試樣在此處的斷裂是源于SLM成形過(guò)程中形成的微裂紋的擴(kuò)展，其在變形過(guò)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(guò)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(wú)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(wú)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(guò)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(guò)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(lái)一絲靈感。