Full length article 全文文章New alloy design approach to inhibiting hot cracking in laser additive manufactured nickel-based superalloys
激光增材制造镍基高温合金中抑制热裂纹的新合金设计方法
Abstract 摘要
在激光增材制造合金过程中,避免裂纹的形成以确保可靠的可打印性和良好的稳定性至关重要。与以往通常试图减少液态薄膜和凝固范围的研究不同,本研究创新性地利用偏析工程和丰富的晶胞边界,引入液态回填以及偏析相网络来缓解热应力,从而消除热裂纹。更具体地说,在镍基高温合金中引入锆元素,在激光增材制造过程中形成连续的枝晶间液态薄膜。研究发现,连续的金属间化合物 Ni 11 Zr 9 偏析相装饰了晶胞边界,当锆含量达到 1 wt.%时,打印出的 Haynes 230 合金中裂纹完全消失。此外,这一连续的 Ni 11 Zr 9 网络层能够作为“骨架”,显著提高打印样品的屈服强度。 经过适当的热处理,这些掺锆改性的 Haynes 230 合金表现出卓越的强度与塑性组合,优于先前报道的 Haynes 230 合金。这些发现为激光增材制造无裂纹且具有优异机械性能的合金提供了一条新的合金设计途径。
Graphical abstract 图示摘要
Keywords 关键词
增材制造 热裂纹 晶界 热处理
1. Introduction 1. 引言
金属增材制造,也称为金属 3D 打印,在复杂整体部件制造、轻量化工程和材料利用方面,相较于传统的减材制造技术具有巨大优势[1],[2],[3]。然而,目前只有少数商业合金,如 316L、IN718、Ti6Al4V 和 AlSi10Mg,被广泛应用于这项新技术[4,5]。主要挑战在于无法生产无缺陷的零件。大多数合金无法适应激光增材制造过程中快速冷却速率和空间上变化的温度梯度,最终在热应力作用下表现出严重的裂纹[6],[7],[8]。事实上,即使是一些焊接性能良好的合金,如 Hastelloy X 和 Haynes 230,在激光增材制造过程中也会出现明显的裂纹。这种裂纹主要表现为热裂纹,也称为铸造中的凝固裂纹,通常发生在熔池凝固的末端阶段。 热裂纹通常被认为是由元素偏析引起的,结果导致合金的凝固范围扩大,形成阻碍枝晶结合的液态薄膜。液态薄膜与冷却收缩产生的热应力之间的协同作用,进而导致热裂纹的形成[9],[10],[11]。Michael 等人[12]利用原子探针断层扫描(APT)显示,在激光粉末床熔融(LPBF)制造的 IN738LC 合金中,Zr 在晶界处偏析,导致凝固范围扩大,促进了凝固裂纹的形成。同样,Si、Mn 和 B 等在镍基高温合金中表现出低分配系数的元素,也被报道会导致晶间低熔点γ+γ'共晶体和硼化物的形成[13],[14],[15]。
激光增材制造镍基高温合金时的一般考虑之一是减少枝晶间偏析组分的含量,如 Zr、Hf、Si、Mn 和 B,这些组分被认为是决定高温合金裂纹敏感性的关键因素[16]。迄今为止,只有有限类型的镍基高温合金,如 Hastelloy-X、CM247LC(无 Hf)和 IN738LC,通过降低这些偏析组分的含量实现了热裂纹的缓解[6,7,12,16]。然而,值得注意的是,减少这些微量合金元素的含量可能会对打印合金的机械性能产生不利影响,例如牺牲其强度和蠕变寿命[6,17,18]。例如,Zr 原子可以填补空位,降低晶界处元素的扩散速率,从而减缓位错攀爬并增强晶界的结合力[19,20]。因此,在镍基高温合金中完全忽略这些元素并非抑制裂纹的最佳方案。 考虑到应力集中和脆弱区域(高角度晶界、液膜区域等)的存在是裂纹产生的两个必要因素,我们假设如果能够有效缓解集中在脆弱区域的残余应力,就可以防止激光增材制造中的热裂纹。近年来,许多研究集中于通过向铝合金中添加 Ti、Sc 和 Zr 溶质进行接种处理,以获得细小的等轴晶微观结构,从而缓解应力/应变并有效抑制热裂纹[5,21,22]。然而,由于缺乏合适的接种剂,接种处理在激光增材制造的镍基或钴基高温合金中并不常见。
在激光增材制造过程中,熔池明显小于铸造和焊接熔池;因此,与超快冷却速率相关的凝固显著抑制了枝晶的生长并提高了溶质的溶解度[2,23]。激光增材制造微观结构中的界面(细胞/晶界)比传统铸造和焊接高出 2–3 个数量级,有效分散了由元素偏析引起的液膜。此外,传统合金成分中存在的偏析元素被严格控制在低水平[6,24],因此难以进一步减少液膜体积并控制激光增材制造的合金凝固范围。相比之下,某些偏析液体可以参与回填以缓解热残余应变,从而减少铸造过程中的热裂纹[10,25];此类体系的例子包括 Al-Si 和 Al-Cu 合金[26]。 因此,为了防止激光增材制造合金中的热裂纹,潜在的方法可以利用丰富的细胞边界,调整偏析组分,在树枝晶之间均匀引入液态薄膜,并缓解应力集中。然而,关于各种合金热裂纹过程中液体回填机制的详细研究仍然较少,对于细胞和晶界偏析重要性的认识也仅限于有限的见解[27,28]。
本研究创新性地采用偏析工程,在凝固终末阶段引入连续均匀的枝晶间液膜,以消除激光增材制造过程中的热裂纹。本质上,该策略利用锆在镍基高温合金中低分配系数的特性,在细胞和晶界处形成连续且稳定的液膜,从而实现液态回填以缓解应力集中。评估了该工艺消除热裂纹的能力,并研究了打印样品细胞和晶界处网络状金属间化合物的形成。随后,系统表征了热处理过程中金属间化合物的溶解、晶间碳化物的细化以及 M 6 C 向 MC 的转变。最后,检测并比较了最终样品的力学性能与先前报道样品的性能。
2. Methods 2. 方法
2.1. Materials and printing
2.1. 材料与打印
采用四种气体雾化的 Haynes 230 粉末进行 LPBF 工艺,其成分(质量百分比)为 Zr-20.08Cr-12.19W-1.92Mo-1.46Fe-1.1Co-0.33Mn-0.36Al-0.38Si-0.1C-0.05B-余量 Ni。其中,四种粉末的 Zr 含量分别为 0、0.5、1.0 和 1.5 wt.%,且所有粉末的氧含量均低于 150 ppm。所制备的粉末呈球形,粒径范围为 15–53 μm。使用配备 400 W 光纤激光器的 Concept Laser M2 打印机对这些粉末进行了 LPBF 处理。优化的 LPBF 打印参数为激光功率 300 W,扫描速度 1100 mm/s,扫描间距 100 μm,层厚 50 μm。采用条带扫描策略,并在相邻层之间激光路径旋转 67°。所有制造过程均在保护性氩气氛围下进行,成型室内氧含量控制在 100 ppm 以下。选取 Zr 含量为 0 和 1 wt.%的样品进行详细的显微组织观察及力学性能分析。 还制造了含锆量为 0.5 wt.%和 1.5 wt.%的样品,以确定锆含量对显微组织演变的影响。
2.2. Thermodynamic calculations and differential scanning calorimetry (DSC) analysis
2.2. 热力学计算与差示扫描量热法(DSC)分析
基于专用于镍基高温合金数据库(TCNI9)的 Thermal-calc 软件,采用 Scheil-Gulliver 凝固模型(固态无扩散,液态完全混合)模拟了从液相线温度到固相线温度的连续步骤[29]。采用差示扫描量热法(DSC,STA 449 F3 Jupiter)实验测量了偏析相的溶解温度和合金的液相线温度。差热流在 30 °C 至 1450 °C 的温度范围内以 10 °C/min 的加热速率记录。
2.3. Heat treatment 2.3. 热处理
为研究热处理对激光粉末床熔化(LPBF)制造的原始及 Zr 改性 Haynes 230 合金显微组织和力学性能的影响,将打印后的样品在氩气氛围下于 1200 °C 加热 1 小时,随后空冷至室温。
2.4. Microstructural analysis
2.4. 显微组织分析
裂纹分析通过使用光学显微镜(OM)拍摄的图像进行。微观结构研究采用扫描电子显微镜(SEM)结合能谱分析(EDS)和电子背散射衍射(EBSD)检测进行。EBSD 扫描区域为 400 μm × 400 μm,步长为 1.2 μm。SEM 样品在由 20 体积%硫酸和 80 体积%乙醇组成的溶液中以 5 V 电解蚀刻 10 秒。透射电子显微镜(TEM)分析使用 Tecnai G2 F30 S-TWIN 显微镜,工作电压为 300 kV,以确定相组成并表征微观结构。TEM 样品通过使用 Gatan PIPS II 695 仪器的标准离子研磨法制备。X 射线衍射(XRD)分析在扫描平面(XY 平面)上使用 Bruker D8 Advance 衍射仪,采用 Cu-Kα射线,步长为 0.2°。不同 Zr 含量样品的残余应力通过 sin 2 ψ方法评估,计算不同ψ角度下(311)峰的间距。 XRD 扫描在 2θ范围为 89°–92.5°的不同ψ角度(即 0、15、20、25、35 和 45°)下进行采集。
2.5. Tensile tests 2.5. 拉伸测试
所有拉伸样品(从打印块样品切割而成,有效长度:35 毫米;有效宽度:3 毫米;有效厚度:2 毫米)均沿纵轴垂直于构建方向制造。拉伸试验在室温(RT)下使用 CMT5105 测试仪以 10⁻³ s⁻¹的应变速率进行。拉伸应变通过有效长度为 25 毫米的 Epsilon 轴向引伸计测量。
3. Results and discussion
3. 结果与讨论
3.1. Crack elimination in the as-printed material
3.1. 打印材料中的裂纹消除
图 1a 显示了沿 LPBF 打印样品构建方向拍摄的光学显微镜(OM)图像。尽管在原始样品(0 wt.% Zr)中观察到了大量裂纹,但可以看出,在经过 Zr 改性的 Haynes 230 合金中,裂纹得到了有效抑制。同样,在 Zr 改性的 Haynes 230 样品的高倍扫描电子显微镜(SEM)图像中(补充图 1),也未发现微裂纹。此外,图 1b 中展示的开口断口显示原始样品的细胞表面光滑,且无明显塑性变形,这典型地反映了固化终末阶段发生的热裂纹[27]。裂纹易沿高角度晶界扩展,因为其较低的共晶温度有利于液相的积聚,从而导致固化过程中局部应变集中[15]。图 1c 所示的电子背散射衍射(EBSD)图揭示了晶粒沿构建方向的外延生长特征,其中裂纹沿原始样品中的柱状晶界扩展,如箭头所示。 尽管在添加了锆(Zr)后,Haynes 230 中的裂纹被完全抑制,但其显微组织仍由柱状晶粒组成(图 1f)。这表明锆在镍基高温合金中的作用不同于先前报道的铝合金,在铝合金中锆能够促进柱状晶向等轴晶的转变,最终增强铝合金对热裂纹的抵抗能力[5,30]。此外,图 1d 所示的扫描电子显微镜(SEM)图像显示,原始 Haynes 230 样品中仅有少量析出颗粒分布在晶胞边界。能谱线扫描(EDS)结果表明,原始样品的晶胞边界处没有显著的元素偏析(见图 1g 及补充图 2a)。相比之下,图 1e 中锆改性后的 Haynes 230 样品的晶胞边界明显被连续的偏析相网络所装饰。元素分布图确认了晶胞边界处锆的明显富集,同时镍(Ni)、铬(Cr)、钨(W)和钴(Co)元素的含量有所减少(见补充图 2b)。 通过透射电子显微镜(TEM)对析出物进行进一步表征后,显然原始样品中的析出颗粒主要是直径为 60–90 纳米的 Ni₃W₃C(M₂C)(图 1g 和 h)。微观结构中还发现了一定量的 M₆C₄,正如之前的研究所报道的那样[31]。Zr 改性样品中的网络析出物被鉴定为厚度为 30–40 纳米的金属间化合物 Ni₅Zr₆(图 1i 和 j)。上述微观结构分析表明,热裂纹的消除可能与 Zr 溶质偏析密切相关。

Fig. 1. (a) OM image of the original (0 wt.% Zr) and Zr-modified Haynes 230 (1 wt.% Zr) samples manufactured by LPBF, along the building direction (BD). (b) The cell features of the fracture surface confirm hot cracking in the original sample. Microstructural features of the original Haynes 230 sample: (c) EBSD inverse pole figure (IPF) map, along the BD, showing crack propagation along the columnar grain boundaries, as indicated by arrows; (d) the nanoparticles decorating the cell boundaries; (g) bright-field TEM image of the solidified cells; and (h) SAED patterns of the Ni2W4C particles shown in (g). Microstructural features of the Zr-modified Haynes 230 sample: (e) continuous network precipitates decorating the cell boundaries; (f) EBSD IPF map along the BD; (i) bright-field TEM image of the solidified cell; and (j) SAED patterns of the intermetallic Ni11Zr9 phases shown in (i).
图 1. (a) 通过激光粉末床熔化(LPBF)制造的原始(0 wt.% Zr)和掺锆(1 wt.% Zr)Haynes 230 样品的光学显微镜(OM)图像,沿构建方向(BD)。(b) 断裂表面的细胞特征确认了原始样品中的热裂纹。原始 Haynes 230 样品的显微组织特征:(c) 沿 BD 方向的 EBSD 反极图(IPF)图,显示裂纹沿柱状晶界扩展,如箭头所示;(d) 装饰细胞边界的纳米颗粒;(g) 固化细胞的明场透射电子显微镜(TEM)图像;(h) 图(g)中 Ni 2 W 4 C 颗粒的选区电子衍射(SAED)图样。掺锆 Haynes 230 样品的显微组织特征:(e) 装饰细胞边界的连续网络析出物;(f) 沿 BD 方向的 EBSD IPF 图;(i) 固化细胞的明场 TEM 图像;(j) 图(i)中金属间 Ni 11 Zr 9 相的 SAED 图样。

Fig. 2. (a) Scheil-Gulliver solidification curves of the original and Zr-modified Haynes 230 alloys. (b) DSC results for the original and Zr-modified Haynes 230 alloys during heating from 30 °C to 1450 °C. (c) XRD patterns of the as-printed samples with different Zr contents. (d) Intensity ratios of the (220) and (200) diffraction peaks of the corresponding samples as a function of the Zr content. The residual stress values calculated by the sin2ψ method are also provided.
图 2. (a) 原始和掺锆 Haynes 230 合金的 Scheil-Gulliver 凝固曲线。(b) 原始和掺锆 Haynes 230 合金在从 30 °C 加热到 1450 °C 过程中的 DSC 结果。(c) 不同锆含量的打印样品的 XRD 图谱。(d) 对应样品中(220)和(200)衍射峰的强度比随锆含量的变化关系。还提供了通过 sin 2 ψ方法计算的残余应力值。
为了更深入地理解凝固过程,在 Scheil-Gulliver 非平衡条件下计算了凝固路径(图 2a)。掺杂 Zr 使 Haynes 230 合金的凝固曲线向较低温度移动,其中凝固温度范围(F S=0 − F S=1 )从 134°C 急剧增加到 477°C。通常,合金在凝固的末端阶段被认为具有最高的热裂敏感性(HCS)。临界温度范围(CTR)通常用于预测合金的 HCS,较高的ΔT CTR (ΔT CTR = T Fs=0.95 − T Fs=1 )值表明更高的 HCS,因为未完全桥接的晶粒尚未形成足够的延展性以适应凝固收缩应变[27,28]。原始样品和掺杂 Zr 样品的ΔT CTR 值分别为 49°C 和 210°C,表明掺杂 Zr 的 Haynes 230 合金应具有更高的 HCS 和较差的可打印性。然而,凝固路径的计算结果与实验获得的结果相反。 它在预测激光粉末床熔化(LPBF)制造的 Al 0.5 CoCrFeNi 高熵合金的热裂纹敏感性(HCS)方面也表现不佳[27]。同样,在向 CoCrFeNi 合金中加入 0.5 wt.% Al 后,发现低熔点的 B2 相分布在细胞和晶界处。尽管之前为了获得优异的抗裂性能和良好的激光增材制造合金打印性能,曾追求低凝固范围和ΔT CTR [32,33],但此类体系迄今为止显示的成功有限。这种预测差异可归因于模型未能反映增材制造过程中快速冷却条件导致的分层微观结构对元素分布的影响[14]。在传统铸造的情况下,具有高体积分数的偏析相主要装饰在晶界处[34]。因此,得益于 LPBF 过程中超快速冷却产生的大量细胞边界,偏析相得到了有效分散。
如图 2a 所示,凝固路径预测在 Zr 改性 Haynes 230 的终端凝固阶段形成 CrB 和 NiZr 相,这显著增加了ΔT。然而,在显微组织中未检测到 CrB 和 NiZr 相,且凝固过程中未预测到 NiZr 的存在。这可能是由于 CrB 和 NiZr 相的体积分数较低,或 LPBF 制造工艺的超快冷却速率导致实际凝固显微组织与预测结果存在偏差[27]。考虑到仅用凝固曲线难以准确反映 Zr 改性 Haynes 230 合金的凝固过程,采用 DSC 测量了打印样品中偏析相的溶解温度。图 2b 比较了原始样品和 Zr 改性 Haynes 230 样品的 DSC 加热曲线,分别记录到液相线温度为 1403°C 和 1384°C;这些值与使用 Thermal-calc 计算得到的结果相对接近。 值得注意的是,Zr 改性样品在 1077°C 处表现出明显的吸热峰,根据微观结构特征可归因于金属间化合物 Ni 11 Zr 9 的溶解。然而,通过 DSC 测定,Zr 改性 Haynes 230 合金从液相线到 Ni 11 Zr 9 形成的凝固温度范围为 307°C,低于计算结果的 477°C。这可归因于 Scheil-Gulliver 模型未考虑溶质反扩散,因此高估了合金的凝固范围。总体而言,所得结果与先前报道一致,表明 Zr 扩大了镍基高温合金的凝固温度范围[12,35]。此外,如图 1e 所示,晶胞边界被连续的金属间化合物 Ni 11 Zr 9 网络装饰,表明在凝固终末阶段,晶胞间区域仍充满丰富的液相。 固化范围的扩大延长了液态持续时间;因此,固化收缩应变可以通过液态回填得到有效缓解[10],如补充图 3a 所示。

Fig. 3. Representative OM and SEM images of the LPBF manufactured Haynes 230 samples containing (a, e) 0 wt.%, (b, f) 0.5 wt.%, (c, g) 1 wt.%, and (d, h) 1.5 wt.% Zr. The grain boundaries are indicated by yellow arrows.
图 3. 代表性的光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)图像,展示了激光粉末床熔化(LPBF)制造的 Haynes 230 样品,含有(a, e) 0 wt.%,(b, f) 0.5 wt.%,(c, g) 1 wt.%,和(d, h) 1.5 wt.% Zr。晶界由黄色箭头标示。
虽然像 Zr、Hf 和 B 这样的溶质被认为对镍基高温合金的可打印性和抗热裂性能有害[6,12,32,34],但由于其含量较低,这些元素主要以偏析原子或孤立析出物的形式存在于激光增材制造的合金中。微观结构中这种有限的偏析意味着在凝固终末阶段参与回填的液相量较少。为了理解液相含量与抗热裂性能之间的关系,进一步研究了 Zr 含量对打印 Haynes 230 合金(添加 0、0.5、1 和 1.5 wt.% Zr)热裂纹的影响。显然,随着细胞和晶界处 Ni 11 Zr 9 含量的增加,裂纹密度降低(图 3),因此可以推断细胞和晶界处液相的体积分数随着 Zr 含量的增加而增加。当 Zr 含量增加到 0.5 wt.%时,尽管与原始样品(0 wt.% Zr)相比,析出物的比例有所增加(图) 3e),析出物仍主要以层状形态分布在晶界处(图 3f)。特别是晶界处的孤立析出物对应于固化过程中局部液态薄膜,如图 3f 中箭头所示,该区域具有较低的剪切强度,在热应力作用下更易产生裂纹[32]。当 Zr 含量达到 1 wt.%(图 3c 和 g)时,裂纹被完全抑制,且在细胞和晶界处形成连续的网络析出物。据报道,晶界裂纹是应变局部化的结果。应变可以通过晶粒传递并集中在晶间液膜中,而当细胞间液体充足时,细胞边界可以分担应变[10]。尽管添加 Zr 溶质增加了晶间液体的体积分数,相当于增加了微观结构中易受损区域的数量,但当这些区域的应力得到缓解时,热裂纹仍然可以被抑制。 因此,可以合理地假设残余应力可以在细胞间液体/相之间分担,从而缓解晶界处的残余应力集中。
在熔池凝固过程中直接测量应力是困难的。然而,已知残余应力会积累在最终的微观结构中[36],因此,基于 XRD 结果,采用 sin 2 ψ方法对不同 Zr 含量样品的残余应力进行了表征[31]。详细的测量结果见补充材料。如图 2d 所示,当 Zr 含量从 0 增加到 1.5 wt.%时,残余拉应力从 201 MPa 降至 41 MPa。值得注意的是,四个样品中析出相的体积分数分别为 0、0.5、1 和 1.5 wt.% Zr 含量时为 0.2%、2%、8%和 13%。需要指出的是,Sun 等人[27]报道,在胞间液膜凝固过程中,胞间析出相的摩尔体积膨胀和塑性变形作用下,残余应力可以得到有效缓解。他们还发现,当胞间析出相含量足够时,LPBF 制造的 CoCrFeNi 合金中的残余拉应力可以转变为压应力。 结合上述实验结果,Haynes 230 合金中热裂纹的抑制归因于随着胞间液相/相的增加,残余应力得到了缓解。
相应的 XRD 图谱(图 2c)确认所有样品均为典型的γ相。有趣的是,主衍射峰可见逐渐从(002)晶面转变为(220)晶面,且对应的强度比值 I (220) /I (200) 随 Zr 含量的增加而增加,如图 2d 所示。此外,逆极图(IPF)和极图(PF)图谱确认立方织构( (200) <001>)随着 Zr 的加入逐渐转变为 Goss 织构({101}<001>),且织构强度值降低(补充图 4)。Zr 改性 Haynes 230 样品中晶体织构的演变被认为源于凝固过程中成分过冷(ΔT CS )的变化。由于 Zr 在镍基体中的固溶度低,大部分 Zr 溶质在熔池凝固时被排斥至固/液(S/L)界面,导致 S/L 界面前方的凝固温度发生变化,从而产生了成分过冷区(CS Zone)[24]。 增大的ΔT CS 提供了额外的驱动力以激活晶粒成核[37],且ΔT CS 与 Zr 溶质浓度呈正相关。如补充图 5 所示,随着 Haynes 230 样品中 Zr 含量从 0 增加到 1.5 wt.% ,平均晶粒尺寸从 42 μm 减小到 28 μm。这表明增大的ΔT CS 促进了凝固过程中的成核事件。由于热流方向和优先晶体取向(立方晶体的<001>)的影响,原始 Haynes 230 样品表现出明显的柱状晶粒外延生长和强烈的立方织构,这些是激光增材制造镍基高温合金的典型显微组织特征[38,39]。随着成核事件的促进,在竞争生长过程中表现出其他晶体取向的晶粒生长概率增加,从而限制了晶粒的外延生长并降低了立方织构的强度[40,41]。因此,织构演变和晶粒细化可归因于引入 Zr 后 Haynes 230 合金中ΔT CS 的变化。 这种织构强度的降低和观察到的晶粒细化也有助于提高 LPBF 制造的 Haynes 230 合金的热裂纹抗性,因为它们通过晶粒的协调变形增强了缓解残余应力的能力[33,42]。

Fig. 4. As-printed microstructures of the original and Zr-modified Haynes 230 samples. Bright field TEM images along the 〈011〉 zone axis of the (a, d) transverse and (b, e) longitudinal cell microstructures in the original and Zr-modified Haynes 230 samples, respectively. (c) HRTEM image of the Ni11Zr9 phase at the cell boundaries, and (f) the inverse fast transformation image corresponding to the area on the (201) plane marked by a yellow box in (c).
图 4. 原始和掺锆 Haynes 230 样品的打印微观结构。沿〈011〉区轴的明场透射电子显微镜(TEM)图像,分别为原始和掺锆 Haynes 230 样品中(a,d)横向和(b,e)纵向的晶胞微观结构。(c)晶胞边界处 Ni 11 Zr 9 相的高分辨透射电子显微镜(HRTEM)图像,(f)对应于(c)中黄色框标记的(201)晶面区域的逆快速傅里叶变换图像。

Fig. 5. (a, b) SEM images showing an overview of the heat-treated microstructures of the original and Zr-modified Haynes 230 samples, respectively. (c) TEM image showing that the nanoprecipitates are uniformly distributed in the cell and grain boundaries. (d) TEM image showing the detailed microstructure in (a), wherein the M6C precipitates decorate the cell boundaries. (e) EDS maps for Ni, W, Cr, Zr, Mo, and C. (f) SAED patterns for the ZrC particles shown in (c).
图 5. (a, b) SEM 图像显示了原始和 Zr 改性 Haynes 230 样品经热处理后的显微组织概况。(c) TEM 图像显示纳米析出物均匀分布在晶胞和晶界处。(d) TEM 图像显示(a)中的详细显微组织,其中 M 6 C 析出物装饰晶胞边界。(e) Ni、W、Cr、Zr、Mo 和 C 的 EDS 元素分布图。(f) (c)中 ZrC 颗粒的选区电子衍射(SAED)图样。
图 4a 和 4b 分别显示了原始 Haynes 230 样品中沿〈011〉区轴的横向和纵向细胞微观结构的明场透射电子显微镜(TEM)图像,其中箭头所示为聚集在细胞边界处的高密度位错。该结果表明,打印后的样品中存在显著的残余应力,这源于激光增材制造过程中反复加热/冷却循环导致的局部热不均匀性,最终导致热残余应变在细胞和晶界处的集中[43,44]。相比之下,尽管在细胞边界处可以看到连续的 Ni 11 Zr 9 相,但如图 4d 和 4e 所示,Zr 改性 Haynes 230 样品基体中的位错密度显著降低。在 Ni 11 Zr 9 相中(图 4e 插图)还可以观察到大量堆垛层错。 此外,高分辨透射电子显微镜(HRTEM)图像进一步确认了 Ni 11 Zr 9 相与γ基体之间存在取向关系,具体为(-101)[010]Ni 11 Zr 9 //(1-11)[-112]γ和(201)[010]Ni 11 Zr 9 //(220)[-112]γ(图 4c),表明存在高度相干的界面。此外,在这些 Ni 11 Zr 9 相的对应逆傅里叶变换(IFF)图像中可以看到高密度位错(图 4f)。在凝固的末端阶段,热应变传递到细胞和晶界,并通过晶粒间的协调变形得到缓解;同时,高密度位错和微裂纹在晶界处成核以适应内部应力[10,45]。Zr 在细胞和晶界的偏析随后形成一层连续的液态薄膜,该薄膜在较宽的温度范围内稳定存在,有效填补凝固收缩。Zr 改性 Haynes 230 样品基体中位错密度的降低表明,连续液态薄膜可以作为应变吸收体,避免应力/应变集中带来的不利影响。 此外,在细胞间 Ni 11 Zr 9 相中观察到的高密度位错储存和严重晶格畸变表明该相是在剧烈热应力下形成的。相干的 Ni 11 Zr 9 /基体界面以及 Ni 11 Zr 9 较低的弹性模量(Ni 11 Zr 9 :122 GPa,γ基体:214 GPa [31,46])有利于 Ni 11 Zr 9 的优先变形,从而在激光增材制造过程中反复加热/冷却循环时缓解基体的应力集中。Haynes 230 样品微观结构中位错密度的变化与 XRD 测定的残余应力演变趋势一致。
3.2. Evolution of the microstructure and the mechanical properties after heat treatment
3.2. 热处理后微观结构和机械性能的演变
热处理是一种公认的控制激光增材制造合金显微组织和优化机械性能的方法[31,47,48]。因此,本研究采用了 1200°C 的固溶热处理,以缓解残余应力并促进打印样品的显微组织均匀化。如图 5a 所示,在热处理后的原始样品中,晶界处析出了长大的碳化物,平均尺寸为 1.2 ± 0.2 μm,晶粒内析出的碳化物平均尺寸为 440 ± 30 nm。此外,图 5d 中呈现的明场透射电子显微镜(TEM)图像显示,晶粒内的碳化物位于细胞边界处,插图中的选区电子衍射(SAED)图案表明晶界和细胞边界的碳化物均为 Ni 2 W 4 C (M 6 C)。由于激光粉末床熔化(LPBF)过程中超快的冷却速率,未充分扩散的钨(W)原子在γ基体中发生偏析,形成了过饱和固溶体。经过热处理后,这些钨原子倾向于从晶粒内部迁移到细胞/晶界处[49]。 在热处理过程中,M₃C 碳化物的粗化是由溶质元素的微观偏析以及沿细胞边界的位错快速扩散通道促进的[31,50]。同时,与原始打印的 Haynes 230 样品相比,细胞边界处缠结的位错在应力释放后基本被消除(图 1g)。
基于上述观点,应考虑 M₀C 碳化物的粗化会消耗合金元素并降低γ基体的稳定性。此外,晶界处存在的大碳化物往往会引入应力集中,导致合金的早期失效[51,52]。因此,晶粒内小析出物的均匀分布更有利于维持加工硬化和均匀延伸[51,53]。令人振奋的是,通过激光粉末床熔化(LPBF)制造的 Zr 改性 Haynes 230 合金能够实现这一目标。如图 5b 所示,纳米析出物在晶粒内均匀分布,且热处理后 Zr 改性 Haynes 230 中 Ni₁Zr₂相的连续网络被完全消除。此外,如透射电子显微镜(TEM)图像(图 5c)所示,平均尺寸为 130 ± 10 nm 的纳米析出物均匀分布在细胞和晶界处。能谱图(EDS,图 5e)显示这些纳米析出物富集 Zr、Mo 和 C,而未观察到 Ni、W 和 Cr。选区电子衍射(SAED)图样进一步确认该纳米析出物为 ZrC(MC)碳化物(图 5f)。 此外,应注意在热处理后的 Zr 改性 Haynes 230 样品中未观察到 M₃C 碳化物。此前已有研究表明,Zr 能有效降低晶界扩散并细化碳化物尺寸[54]。在此,Ni₄Zr₅相的溶解在晶胞和晶界释放出大量 Zr 原子。这种 Zr 富集能有效消除晶界空位并降低界面能,这在减少晶界处溶质原子的扩散中起着重要作用[55]。另一方面,Zr 原子从晶胞/晶界向γ基体的扩散可以阻碍 W 原子的向外扩散。由于 Zr 是强 MC 碳化物形成元素,优先与晶胞/晶界处的 C 原子反应形成 MC,MC 取代了热处理后 Haynes 230 合金中的 M₆C。这种 M₇C 向 MC 的转变使γ基体与碳化物之间的晶格错配从 2%增加到 21%(详见补充材料),促进了如图 5c 所示 MC 相周围位错的形成。
原始和掺锆改性 Haynes 230 样品的工程应力-应变曲线如图 6a 所示,相关的屈服强度、极限强度和断后伸长率汇总于表 1。对于打印后(AP)样品,AP-Haynes 230 样品的屈服强度测定为 488 ± 12 MPa,断后伸长率仅为 2.5 ± 0.5%,这是由于高密度热裂纹的发生所致。相比之下,掺锆样品表现出超高的屈服强度(812 ± 10 MPa),其断后伸长率达到 24 ± 1%。伸长率的增加间接表明样品中的热裂纹得到了有效抑制。值得注意的是,如图 6b 所示,我们的掺锆样品的屈服强度较先前报道的激光选区熔化(LPBF)制造的 Haynes 230 合金[31,42,56]提高了 50%以上。经过热处理(HT)后,掺锆样品的屈服强度因 Ni 11 Zr 9 析出相的溶解而下降至 621 ± 8 MPa;然而,该屈服强度仍显著高于 HT-Haynes 230 样品的 462 ± 14 MPa。 更重要的是,HT-Haynes 230+Zr 样品的延伸率显著提高至 35 ± 2%,这相比之前报道的 LPBF 制造的 Haynes 230 合金的相应数值有了显著提升。此外,如图 6b 所示,HT-Haynes 230+Zr 样品的强度相比完全致密的锻造样品[57],[58],[59],[60]也有显著改善。

Fig. 6. (a) Engineering stress-strain curves of the as-printed and heat treated Zr-modified and original Haynes 230 samples. (b) A summary of the yield strength-elongation data for the LPBF manufactured Haynes 230, the previously reported wrought Haynes 230, and the samples prepared herein.
图 6. (a) Zr 改性和原始 Haynes 230 样品的打印后及热处理后的工程应力-应变曲线。(b) LPBF 制造的 Haynes 230、之前报道的锻造 Haynes 230 以及本文制备样品的屈服强度-延伸率数据汇总。
Table 1. Summary of the mechanical properties of the original and Zr-modified Haynes 230 samples before and after heat treatment.
表 1. 原始和掺锆 Haynes 230 样品在热处理前后的机械性能总结。
| Sample 样品 | Yield strength (MPa) 屈服强度(兆帕) | Ultimate strength (MPa) 极限强度(兆帕) | Elongation (%) 伸长率(%) |
|---|---|---|---|
| AP-Haynes 230 | 488 ± 12 488 ± 12 | 526 ± 7 526 ± 7 | 2.5 ± 0.5 2.5 ± 0.5 |
| AP-Haynes 230 + Zr AP-Haynes 230 + Zr | 812 ± 10 812 ± 10 | 1084 ± 5 1084 ± 5 | 24 ± 1 24 ± 1 |
| HT-Haynes 230 | 462 ± 14 462 ± 14 | 575 ± 9 575 ± 9 | 3.5 ± 0.5 3.5 ± 0.5 |
| HT-Haynes 230 + Zr HT-Haynes 230 + Zr | 621 ± 8 621 ± 8 | 1013 ± 8 1013 ± 8 | 35 ± 2 35 ± 2 |
AP-Haynes 230+Zr 合金强度显著提升,归因于连续的金属间化合物 Ni-Zr 网络,该网络可作为“骨架”,在塑性变形过程中阻碍位错运动。然而,这些位错无法切穿连续的金属间化合物 Ni-Zr 析出相,因而在 Ni-Zr 和 γ 基体的界面处积累,如图 7a 所示。这些析出相易发生脱粘和断裂,并沿晶界扩展裂纹。观察断口表面可见,裂纹主要沿晶界扩展(图 7c),断口表面还可见变形的细胞结构,插图中有所突出显示。这些现象表明 Ni-Zr 的存在促进了裂纹沿细胞和晶界扩展,导致 Zr 改性打印样品的部分延伸率降低。热处理后,金属间化合物 Ni-Zr 完全溶解,MC 纳米颗粒均匀分布于 Zr 改性 Haynes 230 样品中(补充图 3b)。 如图 7d 所示,在断口表面可以观察到高密度的等轴凹坑,表明 HT-Haynes 230+Zr 样品具有高度延展性的断裂行为。此外,图 7b 显示了断裂拉伸样品的明场透射电子显微镜(TEM)图像,其中可以看到高密度位错被 MC 纳米颗粒阻挡并储存在γ基体中,这有助于维持加工硬化并促进强度和塑性的同步提升[51]。此外,微观结构中观察到的位错增加和 MC 相的析出有助于位错强化和析出强化。最终,HT-Haynes 230+Zr 样品表现出优异的强度与塑性组合。添加 Zr 显著消除了由激光粉末床熔化(LPBF)制造的 Haynes 230 合金中的热裂纹,同时优化了热处理后的微观结构,并在室温下展现出优异的机械性能。 然而,Zr 添加对 Haynes 230 合金在长期服役条件下的蠕变、氧化及高温塑性的影响尚未进行详细评估,因此这些方面应成为后续研究的重点。

Fig. 7. TEM and SEM images showing the Zr-modified Haynes 230 samples after tensile deformation. (a) Dislocations stacked at the interface of Ni11Zr9 in the as-printed sample, (b) dislocations piled up around a ZrC particle, (c) the intercell/intragranular tearing fracture feature of the as-printed sample, and (d) the dimpled fracture features of the sample after heat treatment.
图 7. 显示 Zr 改性 Haynes 230 样品拉伸变形后的 TEM 和 SEM 图像。(a) 原始打印样品中 Ni 11 Zr 9 界面堆积的位错,(b) 位错在 ZrC 颗粒周围堆积,(c) 原始打印样品的晶胞间/晶内撕裂断裂特征,(d) 热处理后样品的凹坑状断裂特征。
4. Conclusion 4. 结论
在本研究中,通过利用 Zr 原子的偏析和丰富的晶胞边界,结合引入稳定的液态回填和网络状的金属间化合物 Ni-Zr 相,制备出无裂纹的 Haynes 230 合金,从而缓解应力/应变集中并协调晶粒变形。金属间化合物 Ni-Zr 相数量的增加有助于降低裂纹密度,研究发现当 Zr 含量达到 1 wt.%时,热裂纹被完全抑制。此外,观察到连续的网络状金属间化合物 Ni-Zr 相作为“骨架”,显著提高了打印样品的屈服强度超过 50%。经过后续热处理,掺杂 Zr 的 Haynes 230 合金表现出卓越的强度与塑性组合,这归因于金属间化合物 Ni-Zr 的溶解、大尺寸 M₈C 的减少沉淀以及 MC 在晶胞和晶界的沉淀。总体而言,本研究为激光增材制造无裂纹且具优异机械性能的合金提供了一条新的合金设计途径。
Declaration of Competing Interest
利益冲突声明
作者声明其不存在任何已知的可能影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
Acknowledgement 致谢
Appendix. Supplementary materials
附录。补充材料
References
- [1]Multiprocess 3D printing for increasing component functionalityScience, 353 (6307) (2016)
- [2]Metal 3D printing as a disruptive technology for superalloysNat. Commun., 11 (1) (2020)
- [3]A defect-resistant Co-Ni superalloy for 3D printingNat. Commun., 11 (1) (2020), p. 4975
- [4]Metal additive manufacturing: a reviewJ. Mater. Eng. Perform., 23 (6) (2014), pp. 1917-1928
- [5]3D printing of high-strength aluminium alloysNature, 549 (7672) (2017), pp. 365-369
- [6]Alloys-by-design: application to new superalloys for additive manufacturingActa Mater., 202 (2021), pp. 417-436
- [7]Combining alloy and process modification for micro-crack mitigation in an additively manufactured Ni-base superalloyAddit. Manuf., 36 (2020)
- [8]No more tears for metal 3D printingNature, 549 (7672) (2017), pp. 342-343
- [9]Critical factor triggering grain boundary cracking in non-weldable superalloy Alloy713ELC fabricated with selective electron beam meltingActa Mater., 208 (2021)
- [10]Solidification cracking of superalloy single- and bi-crystalsActa Mater., 52 (11) (2004), pp. 3173-3182
- [11]Susceptibility of ternary aluminum alloys to cracking during solidificationActa Mater., 125 (2017), pp. 513-523
- [12]Investigations on the microstructure and crack formation of IN738LC samples processed by selective laser melting using Gaussian and doughnut profilesMater. Des., 89 (2016), pp. 770-784
- [13]Controlling the microstructure of Hastelloy-X components manufactured by selective laser meltingPhys. Procedia, 41 (2013), pp. 823-827
- [14]Thermodynamics-guided alloy and process design for additive manufacturingNat. Commun., 13 (1) (2022), p. 4361
- [15]Influence of minor alloying element additions on the crack susceptibility of a nickel based superalloy manufactured by LPBFMaterials, 14 (19) (2021)
- [16]Effect of minor alloying elements on crack-formation characteristics of Hastelloy-X manufactured by selective laser meltingAddit. Manuf., 16 (2017), pp. 65-72
- [17]Effect of boron and carbon on thermomechanical fatigue of IN 718 superalloyMater. Sci. Eng.: A, 437 (2) (2006), pp. 157-171
- [18]On the segregation behavior and influences of minor alloying element Zr in nickel-based superalloysJ. Alloys Compd., 897 (2022)
- [19]Effect of minor additions on the microstructures and stress rupture properties of a directionally solidified Ni-based superalloyMater. Sci. Eng.: A, 711 (2018), pp. 303-312
- [20]The Superalloys: Fundamentals and ApplicationsCambridge University Press, Cambridge (2006)
- [21]Inoculation treatment of an additively manufactured 2024 aluminium alloy with titanium nanoparticlesActa Mater., 196 (2020), pp. 1-16
- [22]Developing a high-strength Al-Mg-Si-Sc-Zr alloy for selective laser melting: crack-inhibiting and multiple strengthening mechanismsActa Mater., 193 (2020), pp. 83-98
- [23]Additive manufacturing of ultrafine-grained high-strength titanium alloysNature, 576 (7785) (2019), pp. 91-95
- [24]Demonstrating the roles of solute and nucleant in grain refinement of additively manufactured aluminium alloysAddit. Manuf. (2022), p. 49
- [25]Hot tear susceptibility of Al-Mg-Si-Fe alloys with varying iron contentsMetall. Mater. Trans. A, 44 (12) (2012), pp. 5396-5407
- [26]Role of liquid backfilling in reducing solidification cracking in aluminium weldsSci. Technol. Weld. Joining, 25 (5) (2020), pp. 415-421
- [27]Reducing hot tearing by grain boundary segregation engineering in Addit. Manuf.: example of an AlxCoCrFeNi high-entropy alloyActa Mater., 204 (2021)
- [28]Segregation engineering of grain boundaries of a metastable Fe-Mn-Co-Cr-Si high entropy alloy with laser-powder bed fusion additive manufacturingActa Mater., 219 (2021)
- [29]Thermo-Calc & DICTRA, computational tools for materials scienceCalphad, 26 (2) (2002), pp. 273-312
- [30]Effect of Zirconium addition on crack, microstructure and mechanical behavior of selective laser melted Al-Cu-Mg alloyScr. Mater., 134 (2017), pp. 6-10
- [31]Investigation of strengthening mechanisms in an additively manufactured Haynes 230 alloyActa Mater., 222 (2022)
- [32]Atomic-scale grain boundary engineering to overcome hot-cracking in additively-manufactured superalloysActa Mater., 177 (2019), pp. 209-221
- [33]Design approaches for printability-performance synergy in Al alloys for laser-powder bed additive manufacturingMater. Des., 204 (2021)
- [34]Hot tearing in polycrystalline Ni-based IN738LC superalloyJ. Mater. Process. Technol., 214 (2014), pp. 681-687
- [35]Effect of Zr content on crack formation and mechanical properties of IN738LC processed by selective laser meltingTrans. Nonferrous Metals Soc. China, 31 (5) (2021), pp. 1350-1362
- [36]Understanding the impact of texture on the micromechanical anisotropy of laser powder bed fused Inconel 718J. Mater. Sci., 57 (31) (2022), pp. 15036-15058
- [37]Revealing the mechanisms of grain nucleation and formation during additive manufacturingJOM, 72 (3) (2020), pp. 1065-1073
- [38]Effect of scanning strategy on grain structure and crystallographic texture of Inconel 718 processed by selective laser meltingJ. Mater. Sci. Technol., 34 (10) (2018), pp. 1799-1804
- [39]Critical role of subgrain orientation on the stability of mechanical properties of selective laser melting manufactured alloysMater. Sci. Eng.: A, 832 (2022)
- [40]Selective laser melting of 316 L stainless steel: influence of TiB2 addition on microstructure and mechanical propertiesMater.Today Commun., 21 (2019)
- [41]Promoting the columnar to equiaxed transition and grain refinement of titanium alloys during additive manufacturingActa Mater., 168 (2019), pp. 261-274
- [42]Influence of the TiB2 content on the processability, microstructure and high-temperature tensile performance of a Ni-based superalloy by laser powder bed fusionJ. Alloys Compd., 908 (2022)
- [43]The origin of high-density dislocations in additively manufactured metalsMater. Res. Lett., 8 (8) (2020), pp. 283-290
- [44]New insights on cellular structures strengthening mechanisms and thermal stability of an austenitic stainless steel fabricated by laser powder-bed-fusionActa Mater. (2021), p. 203
- [45]Liu Effect of diffusion on susceptibility to cracking during solidificationActa Mater., 100 (2015), pp. 359-368
- [46]An experimental study on the interdiffusion behaviors and mechanical properties of Ni-Zr systemJ. Alloys Compd., 752 (2018), pp. 412-419
- [47]Two-step heat treatment for laser powder bed fusion of a nickel-based superalloy with simultaneously enhanced tensile strength and ductilityAddit. Manuf., 46 (2021)
- [48]The simultaneous improvements of strength and ductility in additive manufactured Ni-based superalloy via controlling cellular subgrain microstructureJ. Mater. Sci. Technol., 68 (2021), pp. 184-190
- [49]Precipitation, transformation, and coarsening of carbides in a high-carbon Ni-based superalloy during selective laser melting and hot isostatic pressing processesJ. Alloys Compd., 913 (2022)
- [50]The effect of subsequent heat treatment on the evolution behavior of second phase particles and mechanical properties of the Inconel 718 superalloy manufactured by selective laser meltingMater. Sci. Eng.: A, 794 (2020)
- [51]Nanostructured high-strength molybdenum alloys with unprecedented tensile ductilityNat. Mater., 12 (4) (2013), pp. 344-350
- [52]Microstructure and mechanical properties of Hastelloy X produced by HP-SLM (high power selective laser melting)Mater. Des., 165 (2019)
- [53]Achieving high strength and ductility in ODS-W alloy by employing oxide@W core-shell nanopowder as precursorNat. Commun., 12 (1) (2021), p. 5052
- [54]Effects of Zr addition on the microstructure and mechanical behavior of a fine-grained nickel-based superalloy at elevated temperaturesMater. Sci. Eng.: A, 607 (2014), pp. 294-301
- [55]Effect of zirconium on microstructure and mechanical properties of cast fine-grain CM 247 LC superalloyMater. Trans., 45 (2) (2004), pp. 554-561
- [56]Microstructure and mechanical properties of carbides reinforced nickel matrix alloy prepared by selective laser meltingMaterials (Basel), 14 (17) (2021)
- [57]Anomalous deformation behavior and twin formation of Ni-base superalloys at the intermediate temperaturesMater. Sci. Eng.: A, 528 (24) (2011), pp. 7149-7155
- [58]Weldability studies of Haynes® 230 alloyWelding J., 73 (1994)
- [59]The thermal fatigue behavior of the combustor alloys IN 617 and HAYNES 230 before and after weldingMetallurgical Mater. Trans. a-Physical Metallurgy Mater. Sci., 30 (4) (1999), pp. 981-989
- [60]Tensile deformation behavior of a nickel based superalloy at different temperaturesMater. Sci. Eng.: A, 599 (2014), pp. 196-203
Cited by (122)
Solidification in metal additive manufacturing: challenges, solutions, and opportunities
2025, Progress in Materials ScienceStrengthening by Ti, Nb, and Zr doping on microstructure, mechanical, tribological, and corrosion properties of CoCrFeNi high-entropy alloys
2024, Journal of Alloys and CompoundsIn-situ monitoring plume, spattering behavior and revealing their relationship with melt flow in laser powder bed fusion of nickel-based superalloy
2024, Journal of Materials Science and TechnologyBiomedical rare-earth magnesium alloy: Current status and future prospects
2024, Journal of Magnesium and AlloysAlloy design for laser powder bed fusion additive manufacturing: a critical review
2024, International Journal of Extreme Manufacturing


