電子束掃描速度對Inconel 718合金組織和力學(xué)性能的影響

摘"要：Inconel"718是一種典型鎳基高溫合金，采用電子束增材制造可成型復(fù)雜形狀高溫合金構(gòu)件，但電子束增材制造Inconel"718合金的微觀組織演化及其對力學(xué)性能的影響尚不清楚。本文采用選擇性電子束熔煉（EBM）方法制備Inconel"718合金，并對合金進行熱處理。研究結(jié)果表明，將掃描速度從1980mm/s提高到2480mm/s會導(dǎo)致熔池的深寬比更高，凝固結(jié)構(gòu)從胞狀晶逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹鶢顦渲?，并且枝晶間距和平均柱狀晶粒尺寸逐漸減小，沿打印方向的晶粒擇優(yōu)取向為＜001＞。

關(guān)鍵詞：Inconel"718；電子束熔化；掃描速度；熱處理

1"概述

Inconel"718是一種廣泛應(yīng)用的鎳基高溫合金，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，已成為各行業(yè)的關(guān)鍵材料。傳統(tǒng)制造方法如鑄造和機加工在生產(chǎn)復(fù)雜幾何形狀時有局限性，而增材制造技術(shù)可以通過逐層制造復(fù)雜零件，引起了航空航天行業(yè)的興趣。了解電子束增材制（EBAM）對Inconel"718合金微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響，對優(yōu)化制造工藝和性能至關(guān)重要。然而，增材制造過程中的打印工藝（包括掃描速度、電子束功率等）和零件傾斜度會影響熱量集中，可能導(dǎo)致缺陷、材料微結(jié)構(gòu)變化和殘余應(yīng)力［1］，大多數(shù)研究集中在激光粉末床熔融（LPBF）上。近年來，研究人員主要關(guān)注工藝參數(shù)對微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響。Yi等［2］研究了0.1～0.3J·mm-1范圍內(nèi)的激光能量密度對力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)0.2J·mm-1時孔隙最小，力學(xué)性能最佳。JIA等［3］發(fā)現(xiàn)，隨著激光能量密度增加，Inconel"718的微觀結(jié)構(gòu)從粗大的柱狀枝晶變?yōu)榫奂闹?，最終形成細長且均勻分布的柱狀樹枝晶，盡管掃描速度是影響Inconel"718合金的重要參數(shù)，但相關(guān)研究仍然有限。在增材制造過程中，熔池的不同形態(tài)決定了熱流方向，從而影響凝固行為、微觀結(jié)構(gòu)和晶體擇優(yōu)取向。DENG等［4］研究了沿打印方向形成明顯的lt;001＞晶粒擇優(yōu)取向；此外，還研究開發(fā)了一種填充區(qū)熔化方法，將晶粒結(jié)構(gòu)從柱狀調(diào)控為具有各向同性的等軸結(jié)構(gòu)，包括調(diào)整電流大小、掃描時間、相鄰點之間的距離及成形點順序等，證明了激光焦點偏移是影響凝固微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。LEE等［5］證明，層間能量輸入減少會增加未熔化粉末顆粒和孔隙，因此需要嚴(yán)格控制能量密度輸入，以優(yōu)化微觀組織，電子束增材制造工藝對合金微觀組織和力學(xué)性能的影響尚不清楚。本研究旨在探明電子束增材制造對Inconel"718微觀組織和力學(xué)性能的影響，為高性能復(fù)雜高溫構(gòu)件的增材制造提供理論支撐。

2"實驗程序

2.1"粉末制備

粉末制備采用氣體霧化制備Inconel"718合金粉末，可見粉末呈球形，粉末直徑約為45～105μm，表面存在少量衛(wèi)星粉，但粉末整體質(zhì)量較高。表1給出了718合金粉末的化學(xué)成分，粉末質(zhì)量符合ASTMB637標(biāo)準(zhǔn)。

2.2"材料制備

Inconel"718合金樣品使用PBFS200電子束增材制造設(shè)備制備，主要工藝參數(shù)如表2所示。采用不同的電子束功率和掃描速度參數(shù)制備樣品S1、S2、S3和S4，以研究EBM過程中的微觀結(jié)構(gòu)演變，并評估關(guān)鍵參數(shù)對熔池結(jié)構(gòu)特征的影響，包括熔池高度（d1）、熔池深度（d2）、熔池寬度（w）等。

對打印樣品進行固溶時效處理，研究熱處理對合金微觀組織和力學(xué)性能的影響。先在980℃、1000℃、1020℃和1100℃四種不同溫度下固溶1小時，然后空冷至室溫，隨后，進行兩步熱處理：首先，在720℃下退火8小時后隨爐冷卻，然后在620℃下時效8小時后空冷，處理后的樣品分別表示為S12480、S21980、S32180和S42400。

2.3"組織及性能表征

樣品通過線切割制成1～2mm厚的切片，平行于打印方向；研磨使用320～3000目SiC紙，拋光用0.05μm"SiC懸浮液；腐蝕液由5g"CuCl2、100mL"HCl和100mL乙醇按1∶10比例稀釋，在310s后用乙醇沖洗并使其干燥。使用LeicaTM光學(xué)顯微鏡（OM）分析微觀結(jié)構(gòu)，通過未腐蝕樣品圖像計算孔隙率。利用掃描電子顯微鏡（SEM、TESCAN"AMBER"GMH）和電子背散射衍射（EBSD、TESCAN"MIRA4"LMH）分析晶粒和第二相。維氏硬度測量采用Hy"Huayin（200HV5）機器，將樣品拋光至0.1μm表面光潔度，每個樣品測量至少五次，取平均值分析。

3"結(jié)果和討論

3.1"掃描速度對尺寸熔池形態(tài)的影響

如圖1所示，隨著掃描速度從1960mm/s提高到2480mm/s，熔池的平均深度逐漸降低（約從110μm降至88μm），熔池寬度也顯著降低（約從207μm降至138μm）。這種現(xiàn)象可以用掃描速度和能量密度（E）之間的關(guān)系來解釋。能量密度的數(shù)學(xué)計算如下：

E=P/（vht）（1）

其中P是激光功率，v是掃描速度，h是掃描間距，t是粉末層厚?？梢姃呙杷俣葟?960mm/s增加到2480mm/s可以導(dǎo)致能量密度的顯著降低，因此成型的Inconel"718合金樣品中熔池深度及寬度均逐漸減小。通過EBM方法成型的Inconel"718合金不可避免地會出現(xiàn)冶金缺陷，包括殘余孔隙和殘余應(yīng)力等。

如圖1所示，隨著掃描速度從1960mm/s增加到2480mm/s，平均孔隙率從1.13%增加到4.635%，樣品S4表現(xiàn)出最高孔隙率。這一趨勢表明，增加掃描速度會顯著降低EBM制備的Inconel"718合金的整體致密性，這種現(xiàn)象的主要原因是隨著掃描速度的增加，單位面積的能量輸入減少。在更高的掃描速度下，電子束能量完全熔化粉末顆粒的時間更少，不利于實現(xiàn)均勻、無缺陷的微觀結(jié)構(gòu)。在較高的掃描速度下，不完全熔化粉末和熔池重疊不充分導(dǎo)致孔隙最終殘留在材料內(nèi)，進一步測試了EBM樣品的相對密度。結(jié)果表明，在720W的束功率和2480mm/s的掃描速度下，制備的Inconel"718樣品具有最高的相對密度（99.91%）。

3.2"力學(xué)性能

雙重時效熱處理圖解、熱處理后的3D金相以及顯示一次時效和二次時效（再加熱）HV的直方圖使用不同掃描策略和最佳參數(shù)獲得的718合金的硬度值如圖2所示。為了進行比較，如圖2（c）所示，熱處理合金的硬度明顯高于打印態(tài)樣品，XY平面硬度增加26.1%～42.9%，XZ平面硬度增加41.5%～48.6%，各向異性減小。圖2（d）顯示，硬度在1100℃時達到375HV的峰值，隨后因晶粒粗化而降低。Laves相溶解和細小分布的γ’、γ”相提高了硬度，但進一步升溫導(dǎo)致硬度和延伸率降低。納米級γ’、γ”相及針狀δ沉淀物提高了熱處理Inconel"718的抗拉強度，但延伸率降低。圖3（a）顯示了AMS"5662的硬度，這種廣泛用于航空航天的材料由于沒有γ′和γ′′析出相，其硬度低于打印態(tài)718合金。熱處理后，S1"2480的硬度為322.078HV，比AMS"5662低7.97%。圖3（b）中，S1和S2合金在XY平面上的硬度分別下降了8.4%，在YZ平面上下降了11.9%和18.9%，主要由于EBM過程的各向異性。熱處理樣品在XY和XZ平面的硬度均高于未處理樣品，表明EBM掃描策略實現(xiàn)了更均勻的結(jié)構(gòu)。在不同掃描速度和激光功率下，S1（2480）和S2（1960）樣品在XY平面的硬度分別為321.49HV和320.37HV，而在XZ平面上分別增加到371.54HV和367.95HV。圖3（c）顯示不同掃描速度和激光功率下，樣品從邊緣到芯部區(qū)域硬度略有下降，因邊緣冷卻較快，芯部冷卻較慢，導(dǎo)致晶粒尺寸增大和硬度降低。

4"結(jié)論

本研究利用電子束熔融法制Inconel"718合金，主要研究了電子束掃描速度及后續(xù)熱處理對Inconel"718合金的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響，得出主要結(jié)論如下：

當(dāng)激光功率為720W且掃描速度為2480mm/s時，部件的相對密度達到最高99.91%。隨著掃描速度從1960mm/s提高到2480mm/s，顯微組織從胞狀晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鶢罹ЫM織，枝晶間距從0.54μm減小到0.39μm，單個熔池的寬深比（w/d）逐漸增加.熱處理后Inconel"718合金具有粗晶粒的等軸晶組織，在晶界處觀察到少量針狀δ析出相。Inconel"718成形樣品的硬度低于EBM制備的AMS"5662的硬度，但進行熱處理后，其硬度顯著提高。經(jīng)過1100℃的固溶溫度的熱處理后，XZ的S1和S2的出現(xiàn)大硬度，與未經(jīng)過熱處理的樣品相比，分別增加了13.47%和12.93%。

參考文獻：

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基金項目：陜西省重點研發(fā)計劃一般項目（2023YBGY108）

*通訊作者：Abdul"Basit（1992—"），男，巴基斯坦人，碩士，研究方向：電子束掃描速度對Inconel"718合金組織和力學(xué)性能的影響。

作者簡介：Irfan"Ali"Abro（1993—"），男，巴基斯坦人，博士，高級頭銜，研究方向：高熵合金。