（華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室，武漢 430074）

高溫合金是指能夠在600 ℃以上復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下長期服役的金屬材料，也被稱為超合金（Superalloy）。根據(jù)基體的主要成分，它被分為鐵基、鎳基和鈷基3種高溫合金，如圖1所示。因為大多數(shù)高溫合金都具有優(yōu)異的耐腐蝕性、耐磨性、耐高溫、良好的焊接性能，以及較高的拉伸強度、疲勞強度、抗蠕變強度和斷裂強度，所以常常用于制造飛機發(fā)動機組件[1]，例如關(guān)鍵的旋轉(zhuǎn)組件、機翼、支撐結(jié)構(gòu)和壓力容器[2]。隨著工業(yè)發(fā)展，零部件的性能要求和使用條件愈發(fā)苛刻，傳統(tǒng)的加工技術(shù)有時很難滿足當(dāng)下的需求，因此，為了得到質(zhì)量更好的產(chǎn)品，研究人員便開始采用增材制造技術(shù)來制造高溫合金零部件。

相較于傳統(tǒng)的減材制造，增材制造技術(shù)是利用計算機輔助設(shè)計進(jìn)行三維實體分層切片，然后進(jìn)行二維堆積，最后將得到的實體產(chǎn)品從基板上取下，進(jìn)行后處理以強化性能[3]，常見的增材制造工藝如圖2所示。這種特殊的制造方式不僅有效節(jié)約了原材料，并且能夠快速制造一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成形工藝繁瑣的產(chǎn)品，這無疑為小批量的定制產(chǎn)品提供了一種低成本、短周期的制造方式[4]。增材制造工藝本身也有著一定的局限性，就現(xiàn)階段而言，大規(guī)模生產(chǎn)能力還不足，同時部分增材制造工藝對基材狀態(tài)要求較高，這也變相地增加了生產(chǎn)成本。這些問題在未來的研究中仍需要進(jìn)一步地解決和改善。

圖1 高溫合金分類Fig.1 Types of superalloy

圖2 金屬增材制造技術(shù)的分類Fig.2 Classification of additive manufacturing technologies for metal

文中按照粉末增材制造和絲材增材制造的分類，分別介紹其在高溫合金成形中的應(yīng)用，描述通過這兩種方法成形的高溫合金零部件的組織形貌及晶粒特征，對比兩種不同工藝在成形高溫合金零部件時的區(qū)別，最后介紹熱處理等工藝后，高溫合金零部件在組織和性能上的提升。

1 粉末增材制造在高溫合金中的應(yīng)用

1.1 粉末增材制造工藝的特點

粉末增材制造工藝的熱源以激光和電子束為主。根據(jù)不同的粉末送料方法，以激光為熱源的粉末增材制造技術(shù)可以分為兩類：一類是同步送粉的激光熔化沉積技術(shù)（Laser metal deposition，LMD）[5—6]，另一類則是預(yù)鋪粉床的選擇性激光熔化（Selective laser melting，SLM）[7—8]。激光金屬沉積技術(shù)（LMD），也被稱為直接激光沉積技術(shù)（Direct laser deposition,DLD），利用高功率的激光照射在金屬表面上加熱產(chǎn)生熔池，通過供粉噴嘴將金屬粉末注入熔池中并完全將其熔化[9]，接著通過移動工作臺或者噴頭，進(jìn)一步使熔化的粉末結(jié)合凝固，從而完成冶金結(jié)合和構(gòu)件成形。這種技術(shù)的特點在于利用了高能激光束作為熱源，成形的金屬零部件精度高，表面質(zhì)量好，只需要進(jìn)行一定的噴丸和拋光處理即可用于實際應(yīng)用。選擇性激光熔化技術(shù)（SLM）預(yù)先鋪設(shè)粉床[10]，高能激光束隨后會按照計算機模擬的路徑行進(jìn)并熔化粉床，最后逐層燒結(jié)以獲得所需的部件。其工藝流程簡潔，成形的組織性能優(yōu)異，通常能夠達(dá)到鍛件水平，而此工藝的缺點在于其生產(chǎn)周期較長以及受到零部件尺寸的限制，無法生產(chǎn)大型部件。

以電子束為熱源的粉末增材制造技術(shù)一般為電子束選區(qū)熔化技術(shù)（Electron beam melting，EBM），采用高功率的電子束在高真空和充分加熱的腔室中快速掃描前體粉末層[11]，逐層熔化堆積得到三維實體的零件。該技術(shù)由于在制備大型金屬零部件時其熱影響區(qū)較大，導(dǎo)致整體零部件的殘余應(yīng)力也非常大，與激光增材制造技術(shù)相比略顯不足，但值得一提的是，電子束選區(qū)熔化技術(shù)在后續(xù)的發(fā)展和改進(jìn)過程中通過能夠優(yōu)化工藝參數(shù)，以較高生產(chǎn)率生產(chǎn)幾乎完全致密且無殘余應(yīng)力的零件[12—13]。

1.2 粉末增材高溫合金的組織與性能

粉末增材制造的高溫合金零部件的微觀組織最典型的特征為具有外延生長的柱狀晶粒[14—15]。在沿沉積方向上，高溫合金成形件從底部到中間區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)主要由外延柱狀晶粒組成[16—17]，在頂部區(qū)域有時還會出現(xiàn)等軸晶粒或者胞狀晶粒[18]，如圖3所示。這是由于在利用激光或電子束選區(qū)熔化成形的過程中，熱源會在高溫合金熔化的固液界面前沿產(chǎn)生正的溫度梯度，晶粒便會以柱狀晶粒的形式生長，然而，等軸晶粒與胞狀晶粒的產(chǎn)生仍需進(jìn)一步地研究?？傊?，成形后的高溫合金晶粒形態(tài)和尺寸上的差異，直接導(dǎo)致了其在拉伸、壓縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)等力學(xué)性能上存在各向異性[19—20]，最終將影響成形后高溫合金零部件的綜合性能。

圖3 增材制造的高溫合金微觀組織形貌示意圖Fig.3 Morphology sketch of microstructure in additive manufactured superalloy

激光與電子束熱源可以實現(xiàn)快速冷卻和凝固，這通常可以避免合金元素中的宏觀偏析[21—24]，但其快速且不均勻的凝固條件將導(dǎo)致微觀偏析現(xiàn)象的產(chǎn)生，并且難以消除[25—26]。對于不同的高溫合金，引起微觀偏析現(xiàn)象的金屬元素也不相同，如鎳基高溫合金中的Nb元素，它既是主要強化相γ″（Ni3Nb）的組成元素，同時也是脆性相Laves相的重要組成元素，因而，鎳基高溫合金中較高的Nb含量會使其在凝固時的固液界面上極易出現(xiàn)Nb元素的偏析，這進(jìn)一步促進(jìn)了Laves相的生成，從而導(dǎo)致高溫合金蠕變性能嚴(yán)重下降，同時容易引發(fā)熱裂紋的產(chǎn)生。

1.3 粉末增材高溫合金組織性能的提升與優(yōu)化

對于大部分高溫合金來說，粉末增材制造技術(shù)在某些方面具有較大優(yōu)勢，例如制造難以大規(guī)模生產(chǎn)的復(fù)雜零件，成形周期快，材料利用率高等，但是，與傳統(tǒng)制造方式相比，其性能仍存在一定的差距。這種差距是由于制造過程中不均勻和不連續(xù)的加熱造成的，這將導(dǎo)致高溫合金晶界處元素偏析現(xiàn)象的發(fā)生。這種偏析現(xiàn)象會進(jìn)一步引發(fā)金屬基體中的晶粒粗大，組織成分不均勻。在制造過程中析出的第二相（如Laves相）對于基材的性能同樣也是非常不利的，并且這種缺陷在現(xiàn)階段難以通過改進(jìn)增材制造技術(shù)本身來消除或減少。這些情況進(jìn)一步導(dǎo)致高溫合金性能的各向異性，最終影響高溫合金零部件的使用。

對于上述情況，研究人員選擇了對性能提升非常有利的常用熱處理工藝與粉末增材制造技術(shù)相結(jié)合，如圖4所示。通過避免或減少合金元素（如Nb元素等）的偏析，同時減少和溶解對基體性能不利的相（如Laves相，MxCy等），從而達(dá)到增強合金基體性能的目的。在熱處理后，粉末增材制造的高溫合金工件在結(jié)構(gòu)和性能方面均得到了顯著改善。張雪峰等[27]研究了在不同熱處理條件下通過選擇性激光熔化技術(shù)形成的Inconel 718合金的顯微組織和力學(xué)性能，在經(jīng)過均質(zhì)化+固溶+時效處理后，隨著溫度的升高，Laves相的溶解度增加，δ相將在晶界析出，這種工藝有效減少了Nb元素的偏析并溶解了對基體有害的Laves相。

圖4 常用的熱處理工藝Fig.4 Typical heat treatment process

Sames等[28]使用原位固溶+時效處理技術(shù)來處理電子束粉末增材制造的Inconel 718合金零件。增材完成后，使用掃描電子束作為平面熱源加熱零件頂部，以這種方式獲得的增材件的硬度類似于經(jīng)過峰值時效處理的Inconel 718的硬度，其優(yōu)點在于可以減少分離過程中的熱處理步驟，而無需移除零件。同時，通過后續(xù)的改進(jìn)和對工藝參數(shù)的嚴(yán)格控制，可以避免和減少因工藝所產(chǎn)生的粗大晶粒和裂紋。CMSX-4合金中含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的Re元素，屬于第二代鎳基單晶高溫合金，通過電子束增材制造的單晶CMSX-4合金具有嚴(yán)重的元素偏析現(xiàn)象。利用固溶熱處理可以促進(jìn)耐火元素的擴散[29]，可有效消除CMSX-4合金在電子束成形中的元素偏析等不良現(xiàn)象，而且在減少熱處理時間和降低成本方面顯示出了巨大潛力。

針對以熱裂紋為代表的工藝缺陷，研究人員們通過向Hastelloy X高溫合金粉末中添加一定量的碳化鈦（TiC）納米顆粒，有效消除了樣品中的微裂紋并提高了屈服強度[30]。這是由于均勻分布在Hastelloy X合金中的TiC粉末能夠促使小角度晶界比例提升，小角度晶界的增加會明顯增強晶間結(jié)合力，同時還能夠提高增材制造過程中熱應(yīng)力分布的均勻性。這種方法不僅消除了Hastelloy X合金中的裂紋缺陷，還在一定程度上提高了Hastelloy X合金的屈服強度，因此，這種方法也為消除以熱裂紋為代表的高溫合金零部件增材制造缺陷提供了一種研究思路。

2 絲材增材制造在高溫合金中的應(yīng)用

2.1 絲材增材制造的特點與原理

絲材增材制造技術(shù)以激光、電子束以及各種焊接電弧作為熱源，通過自動送絲機構(gòu)將金屬絲連續(xù)送入熔池中[31]，逐層堆積成形三維實體零部件。在3種熱源中，電子束增材制造技術(shù)需要在真空環(huán)境中成形金屬零件或接近最終形狀的毛坯，激光熔絲增材制造的成本較高且還具有一定的局限性。例如，在使用激光熔化金屬絲材冷卻的過程中，金屬絲材和熔池的溫度急劇上升和下降，導(dǎo)致沉積層之間的殘余應(yīng)力較大，使成形件難以獲得穩(wěn)定且理想的微觀結(jié)構(gòu)，性能相對較差，在成形效率、成形穩(wěn)定性、成形質(zhì)量和精度方面，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足大規(guī)模市場生產(chǎn)的要求[32]，因此，目前激光熔絲增材制造技術(shù)的應(yīng)用還較少。

電弧增材制造（Wire arc additive manufacturing，WAAM）技術(shù)作為絲材增材制造技術(shù)中的代表，是基于層層堆焊的原理，使用焊接過程中產(chǎn)生的電弧，如熔化極惰性氣體保護(hù)焊（Melt inert gas welding，MIG）[33]、非熔化極惰性氣體保護(hù)焊（Tungsten inert gas welding，TIG）[34]或等離子弧焊（Plasma arc welding，PA），作為成形中的熱源以成形工件，其優(yōu)勢在于設(shè)備成本低，成形構(gòu)件性能好[35]。其次，有區(qū)別于其他各種增材制造技術(shù)，WAAM技術(shù)在工藝過程中更接近于焊接工藝，因此在工藝參數(shù)的選擇和優(yōu)化上可以依照類似的焊接工藝進(jìn)行參考和修改，顯著提高了生產(chǎn)效率。到目前為止，大量的研究和實驗結(jié)果表明WAAM技術(shù)在小批量構(gòu)件成形制造中具有材料利用率高、成形周期短、節(jié)能環(huán)保等多種優(yōu)勢[4]。

與粉末增材制造技術(shù)相比，絲材增材制造工藝具備金屬沉積速度快、材料利用率高、生產(chǎn)自由度大、表面質(zhì)量高、環(huán)境污染小等特點，適用于生產(chǎn)復(fù)雜大型零部件，而且，所使用的絲材易于生產(chǎn)和存儲[36]，這無疑使絲材增材制造技術(shù)在節(jié)約成本方面也有著重要優(yōu)勢。

2.2 絲材增材制造高溫合金的組織與性能

絲材增材后的高溫合金顯微組織主要以沿沉積方向向外生長的柱狀晶粒為主[37—39]，但在成形薄壁件與塊體件時，其微觀組織形貌略有不同。在成形薄壁件時，高溫合金組織中存在的粗大柱狀晶粒貫穿了多個沉積層，這與利用SLM技術(shù)成形的高溫合金零部件組織有較多相似之處，這種情況在塊體件中并未發(fā)生。其原因在于塊狀試樣成形過程中熔池在底部以及側(cè)部的散熱條件較好，使柱狀晶粒難以貫穿多個沉積層，因此塊體材料中的微觀組織未出現(xiàn)貫穿沉積層的柱狀晶粒。

電子束熔絲增材制造高溫合金零部件時，其微觀組織還具有明顯的層狀結(jié)構(gòu)，生成的Laves相呈白色聚集島狀結(jié)構(gòu)，同時還會有少量細(xì)針狀δ相在Laves相的邊緣析出。此外，由于液相熔池的凝固速度極快，還會有形狀不規(guī)則且尺寸小的塊狀碳化物（MxCy）沿晶間析出。由于Laves相本身是脆性相，基體非常容易在Laves相周圍因位錯塞集引起應(yīng)力集中，從而影響零部件的力學(xué)性能[40]。同時Laves相的存在會降低Nb元素的固溶強化作用，而且由于Laves相吸收了大量的Nb元素，也將導(dǎo)致γ"強化相的析出數(shù)量急劇減少，最終導(dǎo)致基體力學(xué)性能下降。

在電弧增材技術(shù)制造的高溫合金基體內(nèi)，Laves相大多以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的共晶（γ+Laves）相的方式存在[41]。研究表明，在WAAM沉積過程中，高熱量輸入和低冷卻速率[42]引起的元素偏析是導(dǎo)致Laves相析出的關(guān)鍵因素。和粉末增材制造技術(shù)一樣，絲材增材制造技術(shù)在成形高溫合金零部件過程中仍會出現(xiàn)不同程度的微觀偏析現(xiàn)象，但產(chǎn)生的原因卻有所不同。在WAAM技術(shù)中，微觀偏析現(xiàn)象的產(chǎn)生是因為WAAM技術(shù)是具有多參數(shù)耦合的復(fù)雜工藝。在成形過程中，焊縫形狀和熔滴過渡模式不易控制，容易在成形件中累積缺陷，產(chǎn)生微觀偏析行為，這進(jìn)一步導(dǎo)致了不利于基體的Laves相在枝晶間析出[43]。

2.3 絲材增材高溫合金組織性能的提升與優(yōu)化

無論是微觀偏析現(xiàn)象還是Laves相和碳化物等不利于基體性能的第二相，它們的出現(xiàn)對高溫合金的組織和力學(xué)性能都是非常不利的。如何消除并減少上述問題的出現(xiàn)，并有效提高絲材增材制造高溫合金的性能，就成了當(dāng)下最為重要的問題。

工藝參數(shù)作為能夠直接影響成形件性能的因素，一直以來也是研究人員們重點關(guān)注的對象。焊接速度、送絲速度以及電壓電流的變化都對高溫合金零部件的成形質(zhì)量有著非常大的影響。在所有輸入?yún)?shù)中，送絲速度是影響焊縫寬度最重要的參數(shù)[44]。有研究表明，控制好送絲速度甚至能夠?qū)崿F(xiàn)無缺陷工件的制造。

除了文中提到的固溶、時效和均質(zhì)化等熱處理方式，Xu等[45]還在WAAM工藝中增加了道間冷軋工藝。冷軋后，疊層部中心區(qū)域的柱狀晶粒更加均勻且致密，并且重熔線的位置也靠近晶粒的中心。這種方式會誘導(dǎo)高溫合金的再結(jié)晶行為，使晶粒尺寸減小并產(chǎn)生更大的晶界面積，從而達(dá)到強化性能的目的。此外還對比了軋制和固溶+時效處理的電弧增材Inconel 718合金的斷裂伸長率，發(fā)現(xiàn)軋制處理后的電弧增材Inconel 718合金的斷裂伸長率提高了1倍。將軋制工藝與固溶+時效處理相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)處理后的Inconel 718合金的極限抗拉強度增加到了1351 MPa，達(dá)到了鍛造標(biāo)準(zhǔn)。

為了減少增材制造中Inconel 718合金的微觀偏析現(xiàn)象和Laves相的數(shù)量，Cui等[43]還通過對均質(zhì)化熱處理步驟進(jìn)行改良，取消了980 ℃固溶熱處理，將均質(zhì)化處理的溫度提高了1186 ℃，并縮短了均質(zhì)化處理時間，改進(jìn)前與改進(jìn)后的熱處理對比如圖5所示。該工藝有效減弱了晶界處的微觀偏析現(xiàn)象以及Laves相的析出。

圖5 改進(jìn)前與改進(jìn)后的熱處理對比Fig.5 Comparison of heat treatment before and after improvement

3 總結(jié)

1）在高溫合金零部件制造方面，增材制造技術(shù)具有材料利用率和生產(chǎn)效率高、成形周期短，以及個性化生產(chǎn)的高靈活性等優(yōu)點，并且能夠?qū)崿F(xiàn)綠色制造，但其制件仍具有一些常見的工業(yè)冶金缺陷，在性能方面與目前的鑄件和鍛件相比仍有一定差距。

2）增材制造的高溫合金零部件典型顯微組織由三部分組成，在沿沉積方向上，高溫合金成形件從底部到中間區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)主要由外延柱狀晶粒組成，在頂部區(qū)域有時還會出現(xiàn)等軸晶?；蛘甙麪罹Я?。根據(jù)成形工藝種類與工藝參數(shù)的不同，晶粒的尺寸大小、分布狀況都會隨之改變。

3）不同高溫合金的主要析出相取決于其含有的合金元素，同時還會有諸如碳化物（MxCy）等，這些析出相都對高溫合金增材件的性能有著顯著影響。另外，微觀偏析現(xiàn)象的出現(xiàn)會加劇第二相的析出，從而直接影響到成形件的性能，因此想要減少第二相的析出，控制和減少微觀偏析現(xiàn)象也是提升增材制造合金性能的重要手段。

4）在改善增材制造高溫合金性能的方法中，熱處理工藝占據(jù)了重要地位。固溶處理、均質(zhì)化處理以及時效處理是最為常見的3種處理方式，除此之外，還有冷軋工藝，改變合金粉末成分等特殊的處理方式，也會改善增材制造高溫合金零部件的綜合性能。