導讀:熱裂是γ’-(Ni,Ti)3Al析出強化型鎳基超合金的粉床熔融增材制造(PBF-AM)中的主要難題。盡管影響熱裂的液化機理已得到深入研究,但由于高維工藝參數空間和掃描策略帶來的復雜性,對觸發熱裂的機械效應一直以來缺乏深入認識。此外,如何將基于(Al+0.8Ti)含量的難焊接性準則與熱裂機理相結合,也是有待解決的重要課題。本研究通過機器學習優化粉床電子束熔融增材制造(PBF-EB)的高維參數空間以確定工藝窗口,發現工藝窗口內的細晶樣品也有開裂的情況,而粗晶樣品也有不開裂的情況,并通過熱-機械場耦合模擬揭示了觸發熱裂的關鍵因素——機械效應。本研究通過機械效應與成分效應的結合,對熱裂機理與導致難焊接性的根本原因進行了新的探究。
能夠在接近熔點的高溫環境下服役的γ’-(Ni,Ti)3Al析出強化型鎳基超合金,因其推動了先進航空發動機的發展,被譽為是材料科學領域的重大突破之一。近年來,由于制造具有如內部水冷通道的復雜近凈成形高溫部件的需要,使用粉床熔融增材制造技術(PBF-AM)生產γ’-(Ni,Ti)3Al析出強化型鎳基超合金的研究受到了航空工業界的密切關注。但由于具有高γ’-(Ni,Ti)3Al體積分數的析出強化型超合金具有較大的熱裂傾向,使用PBF-AM生產難焊接性超合金制造對安全性有著嚴苛要求的高溫部件,這是一項具有實用潛力的難題。
目前,盡管對使用粉床電子束熔融增材制造(PBF-EB)和粉床激光熔融增材制造(PBF-L)制造難焊接性鎳基超合金已得到廣泛研究,但關于其熱裂機理仍存在爭議。近年來的原子尺度表征研究認為:由位于大角度晶界的納米尺度偏析引起的液化效應是導致PBF-EB制造的難焊接性鎳基超合金熱裂的根本原因。然而,除了這一成分效應以外,對在熱裂機理中不可或缺的機械效應一直以來缺乏深入認識。此外,研究表明提高(Al+0.8Ti)含量傾向于增強難焊接性。盡管該難焊接性準則已被廣泛認知,但現有的熱裂機理并不能很好地解釋這一難焊接性準則。
日本東北大學金屬材料研究所的千葉晶彥教授團隊通過將液化效應與機械效應相結合來完善熱裂機理,揭示了導致難焊接性的根本原因。千葉教授等作者開發了一種利用機器學習高效優化PBF-EB的高維參數空間的方法,并使用該方法在五維寬范圍參數空間中確定了能夠制造難焊接性713ELC合金的良好樣品的工藝窗口。通過考慮機械效應在熱裂機理中的關鍵作用,并以此為指導思想,在機器學習優化方法的輔助下控制工藝參數,本研究在不調整合金成分的情況下制造出了沿造形方向和掃描方向均表現出遠超出傳統鑄造材料的機械性能的PBF-EB樣品。
以上研究成果以Critical factor triggering grain boundary cracking in non-weldable superalloy Alloy713ELC fabricated with selective electron beam melting為題發表在Acta Materialia上。
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https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116695
為了揭示PBF-EB過程中影響熱裂的機械效應的機理,本研究首先利用一項專利技術制造了具有細小等軸晶的無裂紋樣品,經測量得到了難焊接性超合金713ELC的各向同性高溫機械性能參數,并通過基于可靠性能參數的熱-機械場耦合模擬研究了單軌熔化過程中的熱-機械場演變。為了突破高維參數空間和掃描策略帶來的復雜性限制,以進一步揭示單層熔化過程中的熱-機械場演變,作者開發了一個以計算流體動力學模擬與單軌熔化實驗為輔助的解析瞬態模型代碼,從而實現了數值模擬難以勝任的解析,即模擬實驗條件下整個單層熔化過程中的熱場演變。基于上述不同模擬的結合,提出了一個準全塑性應變指數(QTPSI)的概念,以此化繁為簡地揭示了PBF-EB過程中的機械效應。通過基于QTPSI概念的一系列推理,深入研究了受PBF-EB高維參數空間所支配的機械效應,并揭示了機械效應在熱裂機理中的關鍵作用。
圖1 (a)廣泛參數空間的SVM預測過程圖。(b)在A區和B區的第二步優化中獲得的測試樣品的平坦且呈網狀(良好)的頂表面。(c)良好的頂面,在A區中沒有T-2-3樣品的可見缺陷。(d)在B區中樣品T2-11可見缺陷的頂表面。(e)帶有細裂紋的樣品T2-3的垂直截面,(f)帶有寬裂紋和頂層缺陷的T2-11樣品的垂直截面,其對應于頂面上的可見缺陷。
此外,通過基于可靠的各向同性高溫機械性能參數的熱-機械場耦合模擬,作者從機械效應方面比較了難焊接性超合金713ELC和易焊接性超合金718中的熱裂傾向。同時,將以往文獻中較少被關注的時效應變裂化機理與熱沖擊抗性的概念引入到本研究中,進行了關于機械效應的探究,深入分析了材料因素與工藝因素對713ELC超合金的 PBF-EB過程中的熱裂傾向的影響。
圖2 (a)A區的SVM預測過程圖。(b)樣品的良好頂表面施加了局部最佳條件P1和接近最佳條件P2?4,(c)樣品的最佳頂表面施加了接近最佳條件Ls1?8的低應力。
作者利用工藝窗口中的條件制造了許多具有不同凝固組織,且經歷了不同的熱-機械效應的影響的優化樣品。通過分析比較大量的樣本,對熱裂問題得出了較以往更加可靠的結論,總結出了在工藝窗口中觸發713ELC合金熱裂的關鍵因素。盡管細化晶粒被認為是抑制熱裂的有效途徑之一,且以往研究表明,細晶樣品傾向于具有更小的液化效應。本研究通過實驗證明,工藝窗口內的細晶樣品也有開裂的情況,而粗晶樣品也有不開裂的情況。
圖4 (a)在上表面以下2 mm處捕獲的樣品P1?4的EBSD晶粒圖。
圖5 裂紋樣品P1和無裂紋樣品P2?4沿其(a)構造方向和(b)掃描方向的室溫拉伸曲線。
圖6 半對稱板上電子束單道熔化的熱力學分析:(ad)在熔化后將板冷卻到接近預熱溫度時得出。(a)去除熔融區后的板中等效塑性應變的3D圖。(b)在(a)中紅色虛線框指示的XZ截面上繪制等效塑性應變。(c)3D視圖,指示在移除熔體區域的情況下板中最大主殘余拉伸應力的方向。(d)在(a)中紅色虛線框表示的XZ截面上繪制最大主殘余應力。
圖7 通過準總塑性應變指數(QTPSI)評估單層熔融過程中累積的總塑性應變水平的示意圖:(a)單軌熔融誘導的EPSI_B,(b)在QTPSI假設下的情況,(c)實際情況中有大量熱量積聚。
圖8 (a)合金713ELC和718隨溫度變化的各向同性有效彈性模量(E)和有效熱膨脹系數(α)的測量值。(b)繪制五個指數的雷達圖,這些指數反映了在單道熔化條件P1下E和α對Alloy713ELC和Alloy718的非焊接性的影響。括號中給出了每個軸的最小和最大比例(最小,最大)。
圖9 雷達圖繪制了六個指標,這些指標反映了將預熱溫度從1000°C降低到900°C對裂解傾向的影響。括號中給出了每個軸的最小和最大比例(最小,最大)。
綜上所述,本研究通過成分效應與機械效應的結合,完善了γ’-(Ni,Ti)3Al析出強化型難焊接性鎳基超合金在粉床電子束熔融增材制造(BPF-EB)中的熱裂機理,為今后利用粉床熔融增材制造技術(BPF-AM)制造對安全性有著嚴苛要求的部件的材料設計與工藝設計提供了指導思想。
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