最近 5 年來，上海汽輪機(jī)廠 (簡稱 “上汽廠”) 正在大力推進(jìn)基于選擇性激光熔化 (Selective Laser Melting, SLM) 工藝的 3D 打印技術(shù)。Inconel718 高溫合金是比較常見的 3D 打印時(shí)效強(qiáng)化型高溫合金材料，其以 γ 相為基體、γ''相為主要強(qiáng)化相 [1]。該材料具有較高的高溫強(qiáng)度，以及較好的疲勞性能和蠕變持久性能，廣泛應(yīng)用于航空、航天、核能，以及石化工業(yè)等領(lǐng)域。SLM 成型技術(shù)將高能束激光選擇性地作用于金屬粉末材料，使其熔化、凝固，同時(shí)配合粉床和刮刀的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)粉末的逐層疊加，形成結(jié)構(gòu)完整的零部件 [1]。SLM 成型工藝具有較高的加工自由度，可以用于傳統(tǒng)成型方式難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜構(gòu)件的制造。同時(shí)，零件的表面質(zhì)量和尺寸精度較好，可以實(shí)現(xiàn)零件的近凈成形。

目前，行業(yè)內(nèi)對(duì) SLM 打印成型的 Inconel718 高溫合金材料不同熱處理狀態(tài)下的顯微組織和力學(xué)性能方面的研究還不多見，而制造廠商對(duì) 3D 打印高溫合金材料的需求不斷增多，因此有必要對(duì)該領(lǐng)域開展深入的探索。本文將采用 SLM 工藝打印 Inconel718 高溫合金試棒，在進(jìn)行不同熱處理后，開展化學(xué)成分分析、顯微組織分析與力學(xué)性能評(píng)估工作，旨在為透平動(dòng)力裝備中 3D 打印 Inconel718 高溫合金材料的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1、3D 打印及后處理

1.1 粉末信息

3D 打印 Inconel718 高溫合金試棒所使用的粉末為氬氣霧化粉，其粒徑范圍為 15~53μm，流動(dòng)性為每50g15.5s，松裝密度為4.36g/cm ³，振實(shí)密度為4.93g/cm ³；粉末顏色呈淺灰色，色澤均勻，干燥無結(jié)塊。粉末化學(xué)成分如表 1 所示，其余量為 Fe。

表 1 Inconel718 高溫合金粉末成分

元素	質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%
C	0.04
Si	0.03
Cr	18.60
Ni	54.80
Nb	5.10
Mo	2.94
Al	0.56
Ti	1.07
Co	0.31

1.2 打印工藝

上汽廠使用 SLM 設(shè)備打印 Inconel718 高溫合金試棒，關(guān)鍵打印參數(shù)及說明如表 2 所示。用于拉伸、持久和疲勞性能測(cè)試的打印試棒尺寸為 15mm×75mm (直徑 × 長度)；用于沖擊性能測(cè)試的打印試棒尺寸為 12mm×57mm (直徑 × 長度)。測(cè)試方向?yàn)槌练e和水平方向，單版試棒打印完成和清粉處理后的照片如圖 1 所示，累計(jì)打印 3 版。

表 2 Inconel718 高溫合金試棒打印參數(shù)及說明

項(xiàng)目	參數(shù)及說明
鋪粉層厚 /μm	40
離焦量 /mm	+0.5
光斑直徑 /μm	90
激光功率 /W	295
掃描速度 /(mm・s⁻¹)	950
道間距 /mm	0.11
分區(qū)方式	條帶 10mm
掃描方式	單向掃描，每層旋轉(zhuǎn) 67°
氧質(zhì)量分?jǐn)?shù) /10⁻⁶	≤300
基板加熱	否

1.3 后處理

打印完成后，從基板上對(duì)試棒進(jìn)行線切割，在沉積和水平方向各選擇若干試棒進(jìn)行固溶加時(shí)效處理；剩余的打印試棒先進(jìn)行熱等靜壓 (Hot Isostatic Pressing, HIP) 處理，再進(jìn)行固溶加時(shí)效處理。

HIP 處理工藝為：加熱溫度 1165℃，保溫 4h，保溫壓力 135MPa，充氬氣冷卻。

固溶處理工藝為：980℃下保溫 1h，然后空冷處理。

時(shí)效處理工藝為：720℃下保溫 8h，爐冷 2h 至 620℃，保溫 8h，然后空冷處理。

2、結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)成分

3D 打印 Inconel718 高溫合金試棒的化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果如表 3 所示，材料余量為 Fe。各合金元素成分均滿足高溫合金手冊(cè)中的鍛件技術(shù)要求 [2]。

表 3 3D 打印 Inconel718 高溫合金試棒的化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果

元素	質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求范圍 /%	質(zhì)量分?jǐn)?shù)實(shí)測(cè)值 /%
C	0.02~0.06	0.03
Si	≤0.35	0.008
Cr	17.0~21.0	18.50
Ni	50.0~55.0	54.00
Nb	5.00~5.50	5.10
Mo	2.80~3.30	3.11
Al	0.20~0.80	0.60
Ti	0.65~1.15	1.13
Co	≤1.00	0.40

2.2 顯微組織

圖 2 為打印態(tài)試樣的沉積方向和水平方向的金相組織。從圖 2 (a)、(b) 可以看出，材料在沉積方向有典型的魚鱗狀熔池結(jié)構(gòu)，這與激光光斑能量呈中間高兩邊低的高斯分布特性有關(guān) [3]，并且發(fā)現(xiàn)了少量不規(guī)則形狀的氣孔；從圖 2 (c)、(d) 水平方向組織能夠看到規(guī)則排列的熔池邊界，相鄰道次之間的層面夾角為 67°，相鄰層間呈現(xiàn)彼此交錯(cuò)的特征。

圖 3 為打印態(tài)試樣沉積方向掃描電鏡 (Scanning Electronic Microscope, SEM) 組織。從圖 3 (a)、(b) 可以看出，在熔池邊界上的晶粒會(huì)呈現(xiàn)出定向生長的樹枝晶形狀，這主要是因?yàn)樵诩す馊刍�粉末的過程中，由于氬氣冷卻速度較快且溫度梯度較大，垂直于邊界方向容易形成樹枝晶；同時(shí)，在熔池邊界也觀察到一些胞狀晶組織。另外，圖 3 (c) 中白亮區(qū)域?yàn)?Laves 相，這很有可能是在 SLM 成型過程中冷卻速率過高（10⁵~10⁷K/s），使難熔元素 Nb、Mo 和 Ti 來不及擴(kuò)散，從而在枝晶邊界形成偏聚 [4]。

圖 4 為不同熱處理狀態(tài)下試樣沉積方向和水平方向的金相組織。從圖 4 (a)、(b) 可以看出，打印態(tài)試樣經(jīng)過固溶加時(shí)效處理后，沉積方向的魚鱗紋特征消失，說明晶粒開始發(fā)生再結(jié)晶；從圖 4 (c)、(d) 可以看出，加入 HIP 處理后，沉積方向和水平方向的金相組織中晶界更加清晰，再結(jié)晶程度更高。

圖 5 為固溶加時(shí)效態(tài)試樣沉積方向 SEM 組織和能譜 (Energy Dispersive Spectroscopy, EDS) 分析結(jié)果，表 4 為不同位置 EDS 分析結(jié)果。從圖 5 可以看出，固溶加時(shí)效態(tài)試樣沉積方向的 SEM 組織中有大量彌散析出的細(xì)小針狀 δ 相，平均長度在 600nm 左右；同時(shí)，在晶界位置觀察到短棒狀析出相，最大長度超過 1μm，結(jié)合位置 1 的 EDS 分析結(jié)果，該析出相為 δ 相。從表 4 可以看出，根據(jù)位置 2 的 EDS 分析結(jié)果，原始的枝晶邊界上殘留著一些顆粒狀的 Laves 相。

表 4 圖 5 不同位置 EDS 分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）

元素	位置 1	位置 2
C	4.88	3.50
Al	0.26	0.48
Ti	2.40	2.11
Cr	8.59	11.91
Fe	7.53	11.31
Ni	60.52	57.88
Nb	14.48	10.91
Mo	1.34	1.91

HIP 加固溶加時(shí)效態(tài)試樣沉積方向的 SEM 組織和 EDS 分析結(jié)果如圖 6 和表 5 所示。由圖 6 可見，細(xì)小針狀 δ 相數(shù)量明顯減少，晶界上析出一定數(shù)量粗化的短棒狀 δ 相，最大長度超過 5μm，同時(shí)，也有個(gè)別顆粒狀的一次富鈮碳化物；在 HIP 加固溶加時(shí)效態(tài)試樣 SEM 組織中未觀察到明顯的 Laves 相，說明經(jīng)過 HIP (1165℃) 高溫?zé)崽幚砗螅琇aves 相基本溶解。

表 5 圖 6 不同位置 EDS 分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）

元素	位置 3	位置 4	位置 5
C	15.80	8.44	5.40
Al	0.24	0.63	0.46
Ti	8.58	2.20	1.99
Cr	5.89	6.63	8.65
Fe	5.13	6.03	7.67
Ni	14.90	62.29	59.34
Nb	48.64	13.78	15.10

2.3 力學(xué)性能

3D 打印 Inconel718 高溫合金在不同熱處理狀態(tài)、不同方向的室溫屈服強(qiáng)度、斷后延伸率和沖擊功如圖 7 所示。從屈服強(qiáng)度來看：打印態(tài)沉積方向屈服強(qiáng)度約為 600MPa；經(jīng)過固溶加時(shí)效處理后，屈服強(qiáng)度顯著提升，達(dá)到 1100MPa，達(dá)到鍛件水平（≥1030MPa [2]）；HIP 加固溶加時(shí)效態(tài)試棒的沉積方向強(qiáng)度約為 900MPa。從斷后延伸率來看：打印態(tài)、固溶加時(shí)效態(tài)、HIP 加固溶加時(shí)效態(tài)試棒的沉積與水平方向均有差異，且差異隨熱處理逐漸縮小。從沖擊功來看：室溫沖擊功均能夠維持在 20J 以上，打印態(tài)、固溶加時(shí)效態(tài)試樣的沉積和水平方向的沖擊功差異并不明顯。

從沉積和水平方向的屈服強(qiáng)度各向異性差異來看：打印態(tài)相差約 30%；經(jīng)過固溶加時(shí)效處理后，差異有所降低；固溶加時(shí)效處理前經(jīng)過 HIP 處理，各向異性差異降低至 11%。室溫?cái)嗪笱由炻室脖憩F(xiàn)出類似的規(guī)律，如圖 7 (b) 所示。

600℃和 650℃的高溫拉伸屈服強(qiáng)度結(jié)果如圖 8 所示。固溶加時(shí)效態(tài)試樣的屈服強(qiáng)度達(dá)到 900MPa，并且沉積和水平方向的強(qiáng)度各向異性顯著縮小，尤其 650℃下沉積和水平方向的屈服強(qiáng)度差異只有 3.2%。

3D 打印 Inconel718 高溫合金試棒經(jīng)過固溶加時(shí)效處理后，屈服強(qiáng)度顯著提升，主要原因是基體上析出大量尺寸僅有幾十納米的γ''相，該析出相與 γ 相基體晶格錯(cuò)配度較高 [5]，是 Inconel718 高溫合金的主要強(qiáng)化相；當(dāng)晶格發(fā)生較大的彈性變形時(shí)，共格應(yīng)變能升高，從而使得材料的屈服強(qiáng)度升高。與固溶加時(shí)效態(tài)試棒相比，HIP 加固溶加時(shí)效態(tài)試棒的屈服強(qiáng)度有所下降，主要是晶界上出現(xiàn)粗化的 δ 相（見圖 6），這意味著晶界存在γ''相的溶解與轉(zhuǎn)化，并且這也會(huì)造成晶界上鈮元素含量降低，不利于γ''相的析出，因此導(dǎo)致材料的強(qiáng)度下降。

固溶加時(shí)效態(tài)試棒在 650℃、690MPa 下的持久壽命如圖 9 所示，沉積和水平方向試棒的持久壽命均能夠達(dá)到鍛件的要求（≥25h [2]），同時(shí)沉積方向持久壽命更優(yōu)。

3 結(jié)論

本文對(duì)金屬 3D 打印技術(shù)進(jìn)行了研究，打印了 Inconel718 高溫合金試棒，對(duì)其進(jìn)行了不同形式的熱處理，并進(jìn)行了化學(xué)成分、顯微組織和力學(xué)性能的測(cè)試和分析，得到以下結(jié)論：

3D 打印 Inconel718 合金棒材的化學(xué)成分能夠滿足技術(shù)要求；

在打印態(tài)試樣的 SEM 組織中發(fā)現(xiàn)了大量 Laves 相；材料固溶加時(shí)效處理后，沉積方向的 SEM 組織中有大量針狀 δ 相彌散析出，晶界位置析出少量的短棒狀 δ 相，枝晶間發(fā)現(xiàn)殘留的 Laves 相；

打印態(tài)試樣經(jīng)過 HIP 高溫處理后，Laves 相基本溶解，晶粒表現(xiàn)出再結(jié)晶的特征；再經(jīng)固溶加時(shí)效處理后，晶界位置發(fā)現(xiàn)粗化的短棒狀 δ 相；

打印態(tài)、固溶加時(shí)效態(tài)、HIP 加固溶加時(shí)效態(tài)試棒的沉積方向和水平方向的室溫屈服強(qiáng)度和斷后延伸率的各向異性在不同形式的熱處理后逐漸改善；經(jīng)過固溶加時(shí)效處理后試樣的室溫屈服強(qiáng)度能夠達(dá)到 Inconel718 合金鍛件的水平（≥1030MPa）；

對(duì)于固溶加時(shí)效態(tài)試棒，隨著試驗(yàn)溫度從室溫增加到 650℃，沉積和水平方向的拉伸強(qiáng)度各向異性顯著縮小；2 個(gè)方向試棒在 650℃下的持久壽命和高周疲勞強(qiáng)度均能夠達(dá)到鍛件水平。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊永強(qiáng)，王迪，宋長輝。金屬 3D 打印技術(shù) [M]. 武漢：華中科技大學(xué)出版社，2020：8⁃10.

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[3] LIU W, DUPONT J N. Effects of melt⁃pool geometry on crystal growth and microstructure development in laser surface⁃melted superalloy single crystals: Mathematical modeling of single⁃crystal growth in a melt pool (part I)[J]. Acta Materialia, 2004, 52(16)：4833⁃4847.

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（注，原文標(biāo)題：3D打印成型Inconel718合金組織與性能研究）

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tag標(biāo)簽:SLM3D打印,Inconel718,熱處理優(yōu)化,HIP,固溶時(shí)效,Laves相,γ''相,室溫強(qiáng)度,高溫各向異性

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