3D打印镍基高温合金的点阵结构设计
2021-08-08 来源：Goal Science
点阵结构是拓扑有序的三维开孔结构，通常由一个或多个重复晶胞组成。与块体结构相比，这些点阵结构具有可定制的刚度、优异的热传导性能和高的比强度，使其对生物医学和航空航天应用极具吸引力。由于点阵结构件可以可控地改变其变形行为和坍塌响应，因此它们也被认为是理想的能量吸收组件。早期的研究主要集中在通过改变其拓扑结构来调整3D打印晶体点阵结构的力学行为。一些前驱工作还探索了初始晶粒的数量和大小、连续多晶格嵌入以及热处理对SLM打印点阵的结构特性的影响，其中包括一些选定的拓扑结构。然而，显微组织参数（如晶粒尺寸、晶界和沉淀分布）对3D打印点阵结构的力学行为的影响仍然鲜为人知，因此深入理解显微组织对于优化结构性能的晶格设计至关重要。
近日，西班牙Imdea材料研究所和马德里卡洛斯三世大学的研究人员通过选区激光熔化技术（SLM）制备了具有bcc点阵结构的IN718镍基高温合金，并研究了析出相对于其室温压缩性能的影响。该研究提出，打印的快速冷却过程形成的过饱和固溶体组织，具有高的柔度和弯曲主导力学性能；该组织经过固溶和时效热处理后，可形成大量析出相，使合金的硬度更高，表现出拉伸主导的力学性能。相关成果以“Precipitation-induced transition in the mechanical behavior of 3D printed Inconel 718 bcc lattices“为题发表在期刊Scripta Materialia，通讯作者为西班牙Imdea材料研究所的X. Jin。
该工作使用采用的是气雾化法制粉的IN718粉末，采用选区激光熔化（SLM）法制备了具有bcc点阵结构的IN718打印件。SLM过程的工艺参数为：激光功率200W，扫描速度1166.7mm/s，扫描间距90μm，层厚30μm，层间旋转67°。打印件呈bcc点阵结构，总尺寸为20×20×20mm，晶胞尺寸为2.5×2.5×2.5mm。IN718粉末状态与具体打印结构如图1所示。部分成形件进行了固溶+时效热处理：926℃固溶1h，水冷至室温；然后在718℃时效处理8h，炉冷至621℃，接着时效10h，最后空冷至室温。
图1（a）SEM二次电子像观察的本研究所用的Inconel 718粉末的形态；（b）粉末颗粒的横截面；（c）打印出的bcc点阵结构，BD为打印方向
图2 沿垂直于BD的（a）打印态和（b）热处理态样品的横截面上EBSD IPF图和反极图。大角度晶界（θ>15°）用黑线表示；小角度晶界（θ<15°）用白线表示；两种状态样品的（c）取向角分布和（d）晶粒的线截距尺寸分布图
图3（a）打印态和（b）热处理态的IN718合金的TEM明场图像及<010>取向上的选区电子衍射 (SAED) 图案，(b) 中对应于γ´´相的衍射斑用红色箭头表示
必须特别指出的是，SLM制备的点阵结构的IN718合金和块体的显微组织具有不同的特征。IN718块体通常由大的柱状晶组成，长度通常大于数百微米，沿BD生长，并且晶粒取向主要为平行于BD的<001>方向。此外，块体试样的晶粒内部通常含大量的富Nb/Ti沉淀物，且呈网状连接。经固溶和时效热处理后的块状试样会保留胞状结构，并析出大量细小的γ´´强化相。然而，在点阵结构中，由于快速冷却，晶粒的长大和沉淀物的析出均会受到抑制，最终使IN718点阵结构呈现细小的显微组织。此外，固溶和时效热处理会导致微观组织的过度“老化”，使γ´´强化相的尺寸比块体试样大两个数量级。这些实验结果证实，高温合金在热处理过程中显微组织的演变是凝固速率的函数，深度理解这些显微组织的演变路径对于增材制造优化点阵结构设计至关重要。
图4给出了对应于两种状态IN718点阵结构的室温压缩应力应变曲线，可以看出热处理使试样发生弯曲到拉伸主导力学行为的明显转变。当屈服强度为40 MPa时，热处理试样发生了应力振荡，此时可以观察到试样由于沿特定平面挤压而形成了连续的对角剪切带。此外，热处理态的样品具有更高的能量吸收能力。
图4 打印态（红线）和热处理态（绿线）IN718点阵结构的室温压缩应力-应变曲线
