熱等靜壓工藝對SLM成形K4536合金組織與性能的影響

劉 凱, 王 榮, 祁 海, 楊啟云,2, 李雅莉

航空發動機作為航空飛機的“心臟”，其發展水平已經成為衡量一個國家航空能力以及先進制造技術層次高低的重要參照，航空發動機性能的優劣與其零件性能緊密相關，而對于零件材料的要求也極為嚴格。燃燒室作為航空發動機的關鍵部件之一，其對材料的要求包含耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、高強度和抗冷熱疲勞性能好等，現今較為常用的高溫合金有鎳基和鈷基合金材料[1-3]。K4536合金是一種主要由鉻和鉬固溶強化含鐵量較高的鎳基高溫合金，該合金具有良好的抗氧化性和耐腐蝕性，900 ℃以下長期使用，短時工作溫度達1080 ℃，適用于制造航空發動機燃燒室部件和其他高溫部件[4-6]。

由于燃燒室部件結構較為復雜且生產質量要求較高，傳統加工制造技術往往存在生產效率低、成本高和技術難點多等不足之處。目前，以粉末床為特征的選擇性激光熔化（SLM）技術作為一種基于激光熔化金屬粉末的快速增材制造技術[7-10]，以其特有的個性化、精度高、快速高效等制造優點，在航空航天、醫療器具等領域得到廣泛應用[11-12]，然而，由于該技術本身的成形特點，成形部件的質量受到材料因素、機械因素和激光掃描參數等眾多因素的影響，通常會導致試樣表面產生微裂紋、致密度低等缺陷，嚴重影響部件的使用性能[13-17]。熱等靜壓（HIP）技術是一種集高溫高壓于一體的致密化工藝，能夠致密化陶瓷材料，也可用來修復金屬部件的裂紋、內部疏松等缺陷，提高材料性能，該技術可以作為后處理工序來改善SLM成形部件的缺陷及性能[18-20]。

本工作采用鎳基高溫合金K4536金為研究對象，利用SLM技術成形K4536合金試樣，然后對其進行HIP工藝處理，對比HIP工藝前后SLM成形K4536合金試樣的組織及性能的變化。

1 試樣制備與實驗方法

SLM成形K4536合金試樣如圖1所示，其化學成分如表1所示。SLM成形設備為M280型激光打印機，成形參數：激光功率225 W、掃描速率1100 mm/s，掃描間距 0.09 mm，鋪粉層厚 40 μm；實驗用粉為K4536合金粉末，粉末累積粒徑分布為45 μm時達到85.03%，粉末整體球形度良好，根據GB/T1479.1—2011《金屬粉末-松裝密度的測定第1部分：漏斗法》測定粉末的松裝密度為3.98 g/cm3。按照GB/T1482—2010《金屬粉末 流動性的測定標準漏斗法(霍爾流速計)》測定粉末的流動性為：＞ 40 s/50 g；將SLM成形K4536合金試樣置于熱等靜壓爐中對其進行處理，HIP參數為1180 ℃，160 MPa，1 h，冷卻方式為隨爐冷卻。

分別對SLM成形K4536合金試樣原件和經過HIP處理后的試樣進行切割、鑲嵌、研磨、拋光和腐蝕后（腐蝕液的成分為 HCl∶HNO3=3∶1），制成金相試樣，采用LEICA DMI 5000M數字式倒置金相顯微鏡（OM）觀察顯微組織形貌；利用H-800透射電鏡（TEM）對晶粒中的第二相粒子進行形貌、組織結構分析；采用TESCAN VEGA3型掃描電鏡（SEM）對試樣近表面的“白亮層”進行EDS能譜分析和析出物的顯微形貌觀察；根據ASTM E8/E8M-15a金屬材料高溫拉伸試驗的標準試驗方法，使用ZWICK Z250型萬能試驗機分別對HIP工藝前后的試樣進行高溫（815 ℃）拉伸性能測試。取平行于基板方向成形的試樣為橫向試樣，垂直于基板方向成形的試樣為縱向試樣。

2 結果與討論

2.1 HIP對顯微組織的影響

SLM成形K4536的組織形貌如圖2所示，橫向為條狀熔池，反映出激光光束交叉掃描的運動方式，縱向為魚鱗狀熔池，呈現出金屬粉末層層疊加的成形方式；SLM成形K4536合金試樣表面存在大小不一、方向無序的微裂紋，該裂紋缺陷主要位于熔池內或橫跨熔池，熔池與熔池的搭接界面未發現微裂紋，說明熔池界面搭接良好，而熔池內部的殘余應力較大，容易造成裂紋開裂。

表1 SLM成形K4536合金試樣的化學成分（質量分數/%）Table 1 Chemical composition of K4536 alloy manufactured by SLM(mass fraction/%)

如圖3所示，SLM成形K4536合金試樣經工藝參數為1185 ℃，160 MPa，1 h的HIP工藝處理后，原件試樣內部的微裂紋得到修復，原件中的熔池形貌發生改變；試樣經HIP工藝后，晶粒長大；此外，HIP工藝后，試樣的晶粒內部和晶界有大量的第二相粒子析出，晶粒內部的析出物呈顆粒狀彌散分布于基體，起到彌散強化的效用，能夠提高材料強度，對材料性能有利；晶界處的析出物粗大、量多，且連接呈網狀分布于晶界，能夠在一定程度上弱化試樣的晶界強度，對材料性能產生不利影響。

如圖4所示，進一步對晶界析出物進行TEM衍射分析和形貌分析，已知試樣基體相為奧氏體，經過TEM衍射花樣分析得知，晶界處的第二相粒子為M23C6相，該析出物為脆性析出相，可以抑制晶粒長大，有助于材料的細晶強化；但是，當該第二相粒子數量較多，連接成網狀分布于晶界，會使得晶界的強度減弱，導致材料的力學性能降低；當該第二相粒子較為粗大且單獨處于三角晶界處時，試樣在受力情況下，該處容易成為應力敏感區，造成裂紋開裂，同樣對材料的力學性能不利。

對晶粒內部的析出物進行TEM形貌分析可知，晶粒內部的析出物形狀規則、尺寸細小，彌散分布于晶粒內部，有助于提高材料的力學性能；試樣經HIP工藝后，試樣在高溫高壓的作用下，產生位錯，位錯與晶粒內部的第二相粒子相互作用，產生亞晶，說明試樣內部發生了回復和再結晶，材料性能得到相應的調整，試樣內部的殘余應力會降低，材料的塑性會提高。晶粒內部的細小彌散分布的析出物對材料性能有利，晶界上數量較多的粗大析出物對材料性能不利，因此，在后續的HIP工藝研究中應注意控制好晶界析出物的數量。

如圖5所示，對經過HIP工藝處理后的小試塊進行金相形貌觀察發現，試樣近表面具有30 μm左右的“白亮層”，該“白亮層”沿試樣邊緣均勻分布，與內部基體形貌具有明顯區別，該現象在相關的SLM成形金屬部件的報道中鮮有提及。考慮到試樣經過高溫高壓處理，且經過HIP處理后的試樣表面與SLM成形原件表面有區別，HIP處理后的試樣表面變黑，推測該“白亮層”產生的原因或許是由于某種元素發生“氧化”，借助EDS能譜對“白亮層”進行分析得知，該區域的鉻元素的濃度發生變化，其他合金元素均未發生明顯改變，因此，金相顯微鏡下的“白亮層”產生原因是，近表面的鉻元素擴散至試樣表面，“白亮層”的鉻元素濃度降低，使得該區域與基體在顯微鏡下產生不同的觀察效果。

2.2 HIP對試樣高溫性能的影響

表2為SLM成形K4536合金試樣在815 ℃下的拉伸性能，SLM成形K4536合金原件的高溫拉伸性能存在明顯的各向異性，縱向試樣的高溫力學性能優于橫向，并且，根據橫向試樣的高溫斷后伸長率小于10%可知，橫向試樣在815 ℃拉伸時，其斷裂方式應為高溫脆性斷裂。結合上述SLM成形K4536合金原件的顯微組織形貌，熔池沿橫向生長、縱向堆疊，試樣在縱向和橫向的結合方式不同，是造成試樣高溫拉伸性能差異的主要原因。

試樣經HIP工藝后，橫向試樣的高溫拉伸性能值和縱向試樣相當，試樣的高溫力學性能分布均勻，各向異性特征消失。同時，經過HIP處理的試樣與SLM成形K4536合金原件的高溫力學性能對比可知，試樣的高溫強度有所降低，而高溫塑性得到顯著提高，尤其橫向試樣的斷后伸長率提高近30%。結合SLM成形K4536合金原件和HIP后試樣的顯微組織形貌推知：首先，HIP工藝后試樣強度降低，說明HIP工藝并沒有真正意義上的完全消除裂紋，其次，試樣強度降低的原因還可能與晶粒大小有關，HIP工藝后，晶粒長大，減弱了細晶強化的作用，同時，試樣晶界析出較多的粗大析出物，很大程度上降低了試樣的晶界強度，對于材料的力學性能產生較壞的影響。然而，試樣塑性提高的原因，可能與試樣經HIP工藝后，部分裂紋得到修復有關。總體來講，試樣經HIP工藝后，材料綜合性能得到一定改善，但也存在拉伸強度沒有提高的問題，對此還需進一步探究SLM成形K4536合金的優化HIP工藝。

表2 HIP前后，試樣的高溫拉伸性能對比Table 2 High-temperature tensile property contrast of the sample before and after HIP

3 結論

（1）SLM成形K4536合金試樣表面含有微裂紋，組織形貌表現出試樣激光掃描成形特征；HIP工藝后試樣內部的微裂紋得到部分修復，組織形貌發生改變，且晶粒內部和晶界上析出較多M23C6相。

（2）經HIP工藝后，試樣近表面出現厚度30 μm左右的“白亮層”，結合EDS能譜分析得知，白亮層鉻元素擴散至表面，使得鉻元素的濃度降低所導致。

（3）SLM成形K4536合金試樣在815 ℃拉伸時，表現出各向異性，縱向試樣的高溫力學性能優于橫向試樣；經HIP工藝后，試樣的高溫強度降低，塑性顯著提高。

［1］ 姜會澤, 費逸偉, 姚婷, 等. 航空發動機結構及其關鍵材料技術分析[J]. 廣州化工, 2014（15）: 45-47.

（JIANG H Z, FEI Y W, YAO T, et al. The analysis of key material and structure of aero-engine[J]. Guangzhou Chemical Industry, 2014（15）: 45-47.）

［2］ 王輝, 周明星, 吳寶海, 等. 航空發動機先進材料高性能零部件制造技術進展[J]. 航空制造技術, 2015（22）:47-51.

（WANG H, ZHOU M X, WU B H, et al. Recent advances on manufacturing technologies of aero-engine[J].Aero-nautical Manufacturing Technology, 2015（22）: 47-51.）

［3］ 張鵬, 朱強, 秦鶴勇, 等. 航空發動機用耐高溫材料的研究進展[J]. 材料導報, 2014（11）: 27-31.

（ZHANG P, ZHU Q, QIN H Y, et al. Research progress of high temperature materials for aero-engines[J].Materials Review, 2014（11）: 27-31.）

［4］ 劉巧沐, 黃順洲, 劉佳, 等. 高溫材料研究進展及其在航空發動機上的應用[J]. 燃氣渦輪試驗與研究, 2014（4）:51-56.

（LIU Q M, HUANG S Z, LIU J, et al. Progress and application of high temperature structural materials on aeroengine[J]. Gas Turbine Experiment and Research, 2014（4）: 51-56.）

［5］ 王會陽, 安云岐, 李承宇, 等. 鎳基高溫合金材料的研究進展[J]. 材料導報. 2011(增刊 2): 482-486.

（WANG H Y, AN Y Q, LI C Y, et al. Research Progress of Ni-based Superalloys[J]. Materials Review.2011(Suppl 2): 482-486.）

［6］ 王延慶, 沈競興, 吳海全. 3D打印材料應用和研究現狀[J]. 航空材料學報, 2016, 36（4）: 89-98.

（WANG Y Q, SHEN J X, WU H Q. Application and research status of alternative materials for 3D-printing technology[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2016,36（4）: 89-98.）

［7］ 劉業勝, 韓品連, 胡壽豐, 等. 金屬材料激光增材制造技術及在航空發動機上的應用[J]. 航空制造技術, 2014（10）: 62-67.

（LIU Y S, HAN P L, HU S F, et al. Development of laser additive manufacturing with metallic materials and its application in aviation engines[J]. Aero-nautical Manufacturing Technology, 2014（10）: 62-67.）

［8］ 張永忠, 石力開, 章萍芝, 等. 激光快速成形鎳基高溫合金研究[J]. 航空材料學報, 2002, 32（1）: 22-25.

（ZHANG Y Z, SHI L K, ZHANG P Z, et al. Research on laser direct deposition of nickel base superalloy[J].Journal of Aeronautical Materials, 2002, 32（1）: 22-25.）

［9］ 李瑞迪. 金屬粉末選擇性激光熔化成形的關鍵基礎問題研究[D]. 武漢: 華中科技大學, 2010.

（LI R D. Research on the key basic issues in selective laser melting of metallic powder [D]. Wuhan: huazhong University of Science and Technology, 2010.）

［10］黃文普, 喻寒琛, 殷杰, 等. 激光選區熔化成形K4202鎳基鑄造高溫合金的組織和性能[J]. 金屬學報, 2016（9）:1089-1095.

（HUANG W P, YU H C, YIN J, et al. Microstructure and mechanical properties of K4202 cast nickel base superalloy fabricated by selective laser melting[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2016（9）: 1089-1095.）

［11］WANG D, SONG C, YANG Y, et al. Investigation of crystal growth mechanism during selective laser melting and mechanical property characterization of 316L stainless steel parts[J]. Materials & Design, 2016, 100: 291-299.

［12］SONG B, DONG S, LIU Q, et al. Vacuum heat treatment of iron parts produced by selective laser melting: microstructure, residual stress and tensile behavior[J]. Materials & Design, 2014, 54: 727-733.

［13］楊啟云, 吳玉道, 沙菲. 選區激光熔化成形Inconel 625合金的顯微組織及力學性能[J]. 機械工程材料, 2016,40（6）: 83-87.

（YANG Q Y, WU Y D, SHA F. Microstructure and mechanical properties of Inconel 625 alloy manufactured by selective laser melting[J]. Materials for Mechanical Engineering, 2016, 40（6）: 83-87.）

［14］唐鵬鈞, 何曉磊, 楊斌, 等. 激光選區熔化用AlSi10Mg粉末顯微組織與性能[J]. 航空材料學報, 2018, 38（1）:47-53.

（TANG P J, HE X L, YANG B, et al. Microstructure and properties of AlSi10Mg powder for selective laser melting[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2018,38（1）: 47-53.）

［15］TOMUS D, JARVIS T, WU X, et al. Controlling the microstructure of Hastelloy-X components manufactured by selective laser melting[J]. Physics Procedia, 2013, 41:823-827.

［16］TOMUS D, TIAN Y, ROMETSCH P A, et al. Influence of post heat treatments on anisotropy of mechanical behaviour and microstructure of Hastelloy-X parts produced by selective laser melting[J]. Materials Science and Engineering: A, 2016, 667: 42-53.

［17］錢德宇, 陳長軍, 張敏, 等. 選區激光熔化成形多孔鋁合金的顯微組織及微觀力學性能研究[J]. 中國激光, 2016（4）: 66-73.

（QIAN D Y, CHNE C J, ZHANG M, et al. Study on microstructure and micro-mechanical properties of porous aluminum alloy fabricated by selective laser melting[J].Chinese Journal of Lasers, 2016（4）: 66-73.）

［18］韓鳳麟. 近年來熱等靜壓(HIP)處理與應用發展趨勢[J]. 粉末冶金技術, 2014, 32（6）: 464-470.

（HAN F L. Recent trends in hot isostatic pressing (HIP) :processing and applications[J]. Powder Metallurgy Technology, 2014, 32（6）: 464-470.）

［19］何禹坤. 基于激光熔化成形同質包套的熱等靜壓近凈成形試驗研究[D]. 武漢：華中科技大學, 2012.

（HE Y K. Experimental study on near-net-shape forming by hot isostatic pressing based on using laser melting technology forming homogeneous can [D]. Wuhan:Huazhong University of Science and Technology, 2012.）

［20］尚文靜.熱 等靜壓(HIP)技術和設備的發展及應用[J].有色冶金設計與研究, 2010（1）: 18-21.

（SHANG W J. Development and application of hot isostatic pressing (HIP) technology and equipments[J]. Nonferrous Metals Engineering & Research, 2010（1）: 18-21.）