综述：镍基高温合金的粉末床熔融增材制造研究进展
时间:2022-07-11 09:58 来源:南极熊 作者:admin 点击:次
| 导读：本文旨在回顾两种主要粉末床熔融（PBF）技术——激光粉末床熔合(LPBF)和电子束熔合(EBM)，在制备镍基高温合金的组织和力学性能方面的研究成果。介绍了PBF工艺生产的微观结构的特点，随后概述了最常用的打印工艺，以及打印件质量检测技术。对PBF镍基高温合金的抗拉强度、硬度、剪切强度、抗疲劳性能、抗蠕变性能和断裂韧性等力学性能进行了综合评价。
航空航天工业代表了增材制造机器生产商的一个重要发展方向，因为大量的部件具有很高的价值，并使用高价值的材料[40]生产。事实上，镍基航空部件的特点是几何形状复杂，产量低。此外，考虑到镍基高温合金优异的机械性能，以及设计用于安全关键应用的特性，这些零件用传统加工技术加工是困难和昂贵的[41-44]。因此，必须特别注意工装、冷却剂和加工参数的选择，以免导致生产成本增加[40]。相反，PBF制造复杂几何形状的能力允许在组件中加入新的和额外的功能。因此，该领域是展示PBF与镍基高温合金结合的潜力的合适方法。
本文中出现的专业名词解释
图1所示。在PBF试件中突出各向异性时常用的构建方向和主平面的布局。注意这个原始方向通常被认为与机器的坐标系统对齐
1.摘要
在过去的二十年里，增材制造中与镍基合金材料相关的出版物数量急剧增加(见图2)。
图2所示。关于镍基高温合金增材制造的出版物数量(来自Scopus数据库)，包括主要里程碑[2-8]。这表明与增材制造中镍基材料相关的出版物有所增加。
关于金属的增材制造，特别是粉末层融合(PBF)，前人已经做了很多的研究。迄今为止的文献综述提供了金属增材制造技术的总体概述，重点是加工方法、相应的微观组织、力学性能及其在各种材料中的应用[3,9-12]。Murr
等人比较了两种主要的金属PBF技术，即激光粉末床融合(LPBF)和电子束熔化(EBM)，以及它们对常用结构材料[13]的加工，Korner等人则回顾了EBM技术和金属材料[14]的工艺性能环节。Song等人回顾了LPBF制造的组件与常规制造的[15]组件在微观组织和力学性能方面的差异。Sames等人回顾了一系列金属增材制造技术，重点关注它们的问题和机制，以及创建模型来模拟它们[16]。Basak和Das综述了常用金属合金在不同金属增材制造技术处理下的组织演变。在文献中，有关于LPBF制造部件一般力学性能的综述文献[18-20]。这些研究主要集中在增材制备Ti-6Al-4V组分[21,22]和镍基高温合金[23,24]的组织和力学性能。
Wang等人综述了LPBF制备的Inconel (IN)
718组件，主要关注其组织和力学性能[25]。这可能是与本文所进行的综述最相似的工作，而本文仅代表了现有文献中最先进技术的一小部分。Aboulkhair等人对铝合金[26]进行了全面的综述。Zhang等综述了LPBF钛合金及钛基复合材料在生物医学工程中的应用。值得一提的是，也有关于新颖设计[28]和材料系统[29]应用于增材制造的综述论文。然而，目前对PBF镍基高温合金力学性能的研究还没有一个全面的综述，这方面的综述能够为该领域的学者提供了一个权威和全面的资源。因此，本文的目的是对PBF镍基高温合金的力学性能进行全面的综述。这将为研究人员更好地了解PBF的最新技术和工艺参数对力学性能的影响提供依据。在本综述的最后，将给出针对不同力学性能所进行的研究的摘要，以帮助实践者确定已经进行了哪些类别的材料评估，并确定研究中的差距。
最后讨论了PBF在镍基高温合金加工中的机遇和不足。由于我们对基本冶金和工艺本身的理解发展迅速，因此有必要让业内有一个可供借鉴的参考点。
1.1 粉末床熔融技术
本文重点介绍了PBF技术的两种基本原理:LPBF和EBM。PBF是金属零件加工中最常用的增材制造技术之一。该工艺由两个阶段组成:首先，粉末均匀地分布在工作区域，然后是能源(LPBF的激光和EBM的电子束)根据三维模型选择性熔化粉末床，从而建立最终组件[30]。这些制造方法的两个主要区别是它们的电源和电力传输系统。图3[9]展示了典型的LPBF和EBM系统的两幅图。
图3所示。两种主要粉末床熔合工艺示意图：(a)激光粉末床聚变。(b)电子束熔化系统。两个主要的区别(电源和电力传输系统)是可见的。[9]
其他研究人员已经对两种方法和过程的细微差别进行了适当的审查，表1总结了两种系统之间的相关差异[9,16,30]。这种方法可以用于处理各种材料，从金属到陶瓷，为许多应用，如航空航天，生物医学和汽车。对于所有类型增材制造平台可用材料的广泛回顾，读者可以参考Bourell等人对[31]主题的回顾。
表1激光粉末床熔炼与电子束熔炼的主要区别。这提供了对过程特征的洞察[9,16,30]。
1.2. 镍基高温合金及其在增材制造中的作用
本节将重点介绍镍基高温合金的特点、它们适用于PBF的原因以及它们的应用实例，尤其是在航空航天领域。
1.2.1. 镍基高温合金的特性
镍基高温合金是现代航空发动机材料家族的一种[34,35]，具有高温强度、韧性、蠕变和抗氧化/腐蚀的综合性能。由于这些原因，这类合金被广泛应用于在临界环境下工作的部件中。第一代镍基高温合金是为喷气发动机的高温应用而设计的，包括20世纪40年代由英国HenryWiggin公司开发的Nimonic
75[34]。从那时起，镍基高温合金不断被生产、研究并用于制造涡轮叶片、涡轮盘、密封件、环和燃气轮机的其他部件。
如今，一个典型的喷气发动机中含有将近1.8吨镍基高温合金。这些材料对将喷气发动机的连续工作寿命提高到20,000
h[37]以上有很大的贡献。虽然涂层技术(如氧化锆基热障涂层，TBCs)也有助于提高高温性能，但基底镍基高温合金的作用再怎么强调也不为过。图4显示了可焊性以及镍基高温合金在制造中的应用。这是一个有用的指标，如何挑战高完整性增材制造将是给定的材料。实际上，流程窗口在破碎的红线以上大大减少了。
图4所示。一系列镍基高温合金的“可焊性”图，其Ti和Al合金元素组成的函数。图来自Catchpole- Smith等人[38]。虚线以上的可焊性较差，随着Ti和Al含量的增加而恶化。这项工作将为今后合金成分的研究提供参考。
镍基高温合金应用于许多领域，如陆基燃气轮机、核电站和化学容器。表2报告了镍基高温合金的一些常见应用。
表2镍基高温合金[39]的常用用途。这表明了增材制造的镍基高温合金可以应用的众多领域。
图5总结了PBF研究中镍基高温合金的类型。从这一数据可以清楚地看出，IN718和IN625是PBF研究中探索最多的。它们的组成见附录中的表8。
图5所示。饼图显示了迄今为止在粉末层聚变研究中研究的镍基高温合金，来自290项研究。铬镍铁合金718和铬镍铁合金625是研究最多的合金，因为它们的使用水平主要是在航空航天市场，航空航天有直接的机会。 (责任编辑：admin) |