Metall. Mater. Trans. A: IN-738LC超合金激光立体成形过程中热影响区的液化裂纹形成机理

【引言】

IN-738LC是一种弥散强化的镍基超合金，通过γ基体上析出的γ’相产生强化。由于其优异的高温蠕变性能和高温耐蚀性，在汽轮机等高温领域得到了广泛应用。激光立体成形技术是一种激光增材制造技术，可以不受浇注模和尺寸限制，性能优异。但激光立体成形是通过一种层层叠加过程，先熔敷的金属会受到后熔敷的金属的加热，先熔敷的金属相当于热影响区，在随后的熔敷过程中，容易产生裂纹。因此，找到裂纹形成机理成为关键。但目前关于该裂纹的形成机理存在分歧。

【成果简介】

近日，西北工业大学的林鑫教授、杨海欧助理研究员以及莱斯特大学的HongBiao Dong（共同通讯作者）在Metallurgical and Materials Transactions A发表了最新的研究成果“HAZ Liquation Cracking Mechanism of IN-738LC Superalloy Prepared by Laser Solid Forming”。在该文中，研究人员通过对沉积态IN-738LC合金进行激光重熔，研究激光立体成形过程中高（Al+Ti）的镍基超合金的热影响区液化裂纹形成机理。

【图文导读】

图1 低熔点共晶组分液化和直接液化的原理示意图

图2 用于激光重熔以及快速加热模拟的试样示意图

图3 计算得到的IN-738LC合金的凝固顺序

（a）Thermo-Calc软件计算得到的IN-738LC合金的平衡相和质量分数

（b）用Scheil模型计算得到的凝固顺序

图4 IN-738LC合金沉积态的显微组织

（a）低倍SEM显微组织

（b）高倍SEM显微组织

（c）块状碳化物MC的TEM图

（d）SADP图

图5 IN-738LC合金激光重熔试样横截面的光镜图

（a）低倍显微组织

（b）高倍显微组织

（c）高倍显微组织

图6 IN-738LC合金激光重熔试样热影响区（靠近重熔区）的SEM图

（a）低倍显微组织

（b）高倍显微组织

（c）高倍显微组织

图7 IN-738LC合金激光重熔试样热影响区（靠近重熔区）的SEM图

（a）液态γ-γ’共晶
（b）产生裂纹的晶粒边界

图8 模拟得到的热影响区显微组织

（a）γ-γ’共晶

（b）拉伸液态膜

图9 IN-738LC合金激光立体成形试样裂纹附近的EMPA分析

图10 计算得到的IN-738LC合金枝晶元素浓度分布

（a）GK模型计算得到的Ti，Nb，Ta元素分布

（b）Scheil模型计算得到的Ti，Nb，Ta元素分布

（c）分离的γ-γ’共晶的SEM图

图11 激光重熔过程中温度变化

（a）激光重熔位置示意图

（b）点a和b处的温度变化曲线

图12 连续加热时界面溶解对液相温度的影响

图13 γ和γ’的TEM图

（a）γ基体和γ’析出相的暗场TEM图

（b）SADP分析

（c）高分辨率的γ/γ’的TEM图

（d）图（c）中d区域的放大图

（e）图（c）中e区域的放大图

图14 M3B2和MC碳化物的TEM图和SADP分析

（a）TEM图（M3B2在MC碳化物附近）

（b）沿[-1-32]得到的M3B2和沿[112]得到的MC的SADP分析

（c）M3B2的TEM图

（d）沿晶粒边界的[112]晶带轴得到的SADP分析

图15 不同含量的B的IN-738LC合金的平衡相图和凝固顺序

（a）Thermo-Calc计算得到的平衡相图

（b）利用Scheil模型得到的凝固顺序图

图16 IN-738LC合金激光立体成形试样力学性能及热影响区晶粒边界液态裂纹形成机理

（a）IN-738LC合金激光立体成形试样的应力-应变曲线及拟合曲线

（b）显微硬度测量位置示意图

（c）显微硬度及残余应力分布

（d）热影响区晶粒边界液态裂纹形成机理

【小结】

本文的主要结论如下：

热影响区的显微组织分析结果表明裂纹沿晶粒边界从热影响区扩展到重熔区。晶粒边界液化区液化薄膜的形成主要是由于晶粒边界呈半连续分布的γ-γ’共晶的局部熔化。熔池凝固的最后阶段，残余液态中γ-γ’共晶形成元素的富集是半连续分布的γ-γ’共晶形成的主要原因。IN-738LC合金激光立体成形试样的晶粒存在B的富集，使得晶粒边界液化温度降低，并且由于液化薄膜的存在使得晶粒边界的润湿性提高。热影响的残余应力分布不均，这是热影响区液化裂纹形成的主要驱动力。

文献链接：HAZ Liquation Cracking Mechanism of IN-738LC Superalloy Prepared by Laser Solid Forming（Metallurgical and Materials Transactions A，2018，doi.org/10.1007/s11661-018-4826-6）

本文由材料人编辑部金属组 杨树 供稿，材料牛编辑整理。

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