鎳基合金鍛件 圓棒 應用領域及標準GH3536（GH536）固溶強化型鎳基高溫合金

GH3536合金是一種主要以鉻和鉬固溶強化的鎳基高溫合金（對應牌號為(wei) 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度，適用於(yu) 製造高溫服役結構的熱端零部件，如尾錐體(ti) 、渦流排氣管和燃燒噴嘴殼體(ti) 等。然而此類部件形狀複雜，內(nei) 部往往還存在流道或多孔結構，傳(chuan) 統工藝多采用多次焊接複合而成，不僅(jin) 難以保證尺寸精度，還會(hui) 影響氣體(ti) 流的穩定性，即使通過精鍛工藝也難以滿足製造業(ye) 的需求。選區激光熔化成形技術（selective laser melting,SLM）是一種以激光為(wei) 熱源，通過對金屬粉末層進行逐點熔化，逐線搭接，逐層凝固堆積的方式來實現高複雜度零件的一體(ti) 化“近淨成形"技術，使得製約GH3536合金件加工的瓶頸問題迎刃而解。但由於(yu) SLM成形過程中合金粉末需在特定的極短交互時間內(nei) 完成熔化、凝固和冷卻，局部化熱輸入造成的溫度梯度與(yu) 凝固過程中產(chan) 生的較大殘餘(yu) 應力會(hui) 導致合金出現組織缺陷與(yu) 成分偏析。因此，選區激光熔化成形件通常需進行後熱處理來修複合金內(nei) 部缺陷，調控顯微組織的成分、結構並改善合金的力學性能。

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

實驗結果分析

（1）不同熱處理態的GH3536合金的室溫拉伸性能
對沿不同方向製備的SLM試樣、ST試樣和HIP試樣進行室溫拉伸測試，並與(yu) 工業(ye) 標準HB 5497-1992進行了對比。3種試樣在室溫下沿橫/縱向的抗拉強度與(yu) 屈服強度均超過鍛件標準的要求，但延伸率各有不同。SLM試樣沿橫向抗拉強度為(wei) 769 MPa，比縱向高58 MPa；橫向屈服強度為(wei) 465 MPa，比縱向高44 MPa；縱向延伸率為(wei) 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(jin) 受材料固有特性的影響，還與(yu) 顯微組織結構有關(guan) ，對於(yu) 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(wei) “熔池界-超細柱狀亞(ya) 晶"的交錯分布組成。一般來說，晶粒越細小抗拉強度越高，塑性越好。熔池界包圍區域內(nei) 為(wei) 細長的柱狀微晶，均勻分布，保證了SLM試樣的高強度和良好的塑性，而空間分布的熔池界則會(hui) 極大地影響SLM試樣的塑性。由於(yu) 熔池界的結合性能本身弱於(yu) 晶界，而且熔池搭接區的熔池界還存在局部“粗晶區"，使得熔池界成為(wei) 試樣的性能薄弱區。當SLM試樣進行塑性變形時將優(you) 先沿熔池界進行滑移。而單位麵積內(nei) 試樣在縱向截麵的熔池界（長度）數量要遠多於(yu) 橫向截麵，這意味著當SLM試樣沿縱向進行拉伸時，塑性變形更易進行，因此在宏觀上表現出更優(you) 秀的延伸率，但抗拉強度略低於(yu) 橫向。

ST樣沿橫向的抗拉強度與(yu) 屈服強度分別為(wei) 695和382 MPa，延伸率為(wei) 31.13%。沿縱向的力學性能與(yu) 橫向基本相同，這與(yu) 橫/縱向顯微組織相似的觀察結果相一致。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試樣的氣孔和裂紋等缺陷，且高溫處理會(hui) 促進組織中奧氏體(ti) 數量的增多，導致ST試樣的延伸率明顯提高，與(yu) SLM試樣的橫向延伸率相比提高了10.53%。但固溶處理會(hui) 使合金晶粒在高溫下發生再結晶與(yu) 長大，導致其拉伸斷裂強度和屈服強度發生明顯降低。HIP試樣與(yu) ST試樣的室溫拉伸力學行為(wei) 相類似，但橫/縱向的抗拉強度約為(wei) 728 MPa，屈服強度為(wei) 429 MPa。雖然抗拉強度較SLM試樣的橫向抗拉強度低約41MPa，但比其縱向抗拉強度提高了11 MPa。延伸率達到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試樣的強度並未像ST試樣出現明顯的下降，這主要得益於(yu) 合金內(nei) 部缺陷的消除與(yu) 晶界形態的變化。

一方麵，熱等靜壓處理後試樣的致密度較ST試樣更高；另一方麵，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運動，從(cong) 而提高合金的強度。盡管晶界碳化物作為(wei) 脆性相，在拉伸過程中容易成為(wei) 裂紋源，但其形成的鋸齒狀彎曲晶界反而會(hui) 阻礙裂紋的萌生與(yu) 擴展。這是因為(wei) 鋸齒狀的彎曲晶界凹凸不平，造成相鄰晶粒的晶麵之間的咬合作用，變形過程中晶界彼此間滑移困難，迫使強度較高的晶內(nei) 部分參與(yu) 變形，從(cong) 而導致晶界上應力鬆弛，阻礙裂紋的萌生。有研究表明：裂紋在擴展過程中，鋸齒狀晶界能夠促使裂紋與(yu) 晶界麵之間的夾角偏離其初始入射角度，提高裂紋沿界麵擴展路徑的複雜崎嶇程度。這意味著鋸齒狀的彎曲晶界使得裂紋更加傾(qing) 向於(yu) 穿過晶界麵而不是沿著晶界麵進行擴展，從(cong) 而對合金起到有效的增韌作用。

（2）不同熱處理態的GH3536合金的室溫拉伸斷口形貌分析

3種試樣的斷裂機製均為(wei) 微孔聚集型的韌性斷裂，橢圓形的等軸韌窩沿斷裂麵分布，但韌窩的尺寸與(yu) 深度均不相同。其中，SLM試樣的韌窩結構非常細小，平均直徑僅(jin) 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麵清晰可見，說明裂紋是沿著熔池界處萌生並擴展，這從(cong) 另一個(ge) 角度也佐證了熔池界是組織力學性能的薄弱區。橫向SLM試樣在塑性變形過程中，其局部產(chan) 生的應力集中會(hui) 破壞原子相互結合的力量，形成孔隙，這些微孔隨著變形的繼續而長大並相互連接形成裂紋。少量微小的韌窩存在，說明試樣在此處的斷裂是源於(yu) SLM成形過程中形成的微裂紋的擴展，其在變形過程中參與(yu) 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(wei) 0.8～1.0μm，且分布均勻，呈現穿晶-韌窩型斷裂特征，暗示了合金具有較好的延伸率。經過熱等靜壓處理後，HIP試樣斷口處的韌窩數量明顯增多，尺寸也增大到2μm左右。與(yu) SLM試樣相比，鋸齒狀彎曲晶界的存在會(hui) 促進開動周圍基體(ti) 中滑移係，降低晶界處應力集中，促進塑性變形均勻分布，因此HIP試樣表現出了最佳的室溫拉伸性能，這與(yu) 前述的拉伸試驗結果相吻合。當拉伸材料塑性較好時，具有不同取向晶粒之間的約束力較大，導致位錯同時沿幾個(ge) 相交的滑移麵滑移後才能形成，這也從(cong) 側(ce) 麵反映了HIP試樣具有優(you) 秀的塑性變形能力。

結論
（1) 選區激光熔化成形的GH3536合金沉積態試樣的顯微組織主要由熔池界與(yu) 超細的柱狀亞(ya) 晶組成。熔池沿沉積方向呈現魚鱗狀分布，明顯區別於(yu) 激光掃描方向的條狀分布，內(nei) 部存在少量氣孔與(yu) 無序微裂紋。

（2）SLM試樣分別經固溶處理與(yu) 熱等靜壓處理後，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(yu) ST試樣相類似，致密度達到94.1%。

（3) 3種試樣斷口均為(wei) 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試樣抗拉強度和屈服強度均有下降，但延伸率提高至31.13%。抗拉強度和屈服強度下降較少，延伸率達到38.65%，這與(yu) HIP過程中形成的彎曲晶界有關(guan) 。

上海鋼澤此次實驗參考了諸多學術的理論及知識，希望可以給相關(guan) 從(cong) 業(ye) 者帶來一絲(si) 靈感。