高溫合金是先進航空發動機的重要高溫結構材料。根據Al、Ti含量可劃分為兩類，即可焊接高溫合金和不可焊接高溫合金。其中，不可焊接高溫合金中Al + Ti元素的含量較高，是合金中γ 強化相的主要形成元素。但這也導致了該類合金在增材製造（AM）過程當中極易容易出現熱裂紋。

北京航空航天大學的研究人員與英國萊斯特大學的Bo Chen教授合作，以典型不可焊Ni3Al基IC21高溫合金（~7.5 wt.% Al）為研究物件，透過調整電子束選區熔化成型（EBM）過程中的工藝引數，提出了一種新的掃描策略，獲得了具有細小柱狀晶結構的緻密無裂紋的IC21合金（圖1）。實驗測試表明，1000℃下製備態IC21合金具有YS=518±10 MPa、UTS=560±16 MPa、斷後延伸率為20.5%的高溫力學效能。同時對凝固組織、開裂機理以及拉伸變形條件下的位錯組態進行了系統性的研究。相關論文以題為“Solidification microstructure and tensile deformation mechanisms of selective electron beam melted Ni3Al-based alloy at room and elevated temperatures”發表在Materials Science & Engineering A。

論文連結：

https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.140629

論文首先提出了EBM成形IC21合金的裂紋抑制手段：透過採用特定的掃描策略，可增大線能量輸入密度（掃描策略如2所示：透過階梯掃描策略延長相鄰掃描線返回時間，提高了EBM成形時的能量密度輸入），從而消除沿晶裂紋，得到緻密無裂紋的IC21合金（柱狀晶的寬度約為100 μm，一次枝晶間距約為3~4 μm）。

圖1 EBM製備緻密無裂紋IC21合金的光學顯微照片

圖2 EBM製備IC21合金表面形貌圖以及電子束熔化掃描順序示意圖。

論文隨後採用XPS手段分析了合金的裂紋形成機理：對已經開裂的IC21合金進行斷口分析，發現熱裂紋的形成與晶界處存在大面積連續的液化膜有關。使用XPS對液化膜表面進行元素成分分析，可看到液膜處存在Si、Cr元素的富集（圖3）。因此可知EBM製備IC21合金過程中熱裂紋的形成與Si、Cr等元素在晶界處的偏聚有關。

圖3 有裂紋IC21合金的XPS譜圖證明液膜處存在Si和Cr的偏析

對緻密無裂紋IC21合金在1000℃下進行了高溫拉伸測試，製備態IC21合金具有YS=518±10 MPa、UTS=560±16 MPa、斷後延伸率為20.5%的優異高溫力學效能。

採用TEM對拉伸測試前後的合金進行了對比分析（圖4和圖5）：EBM製備態IC21合金在γ/γ 相介面形成了具有不規則幾何形狀的位錯網；室溫拉伸斷裂後γ/γ’相介面及γ’相記憶體在大量位錯纏結，γ’相內有高密度短小的位錯對(Dislocation pairs)出現，進一步分析確定該位錯為a/2<110>位錯對，切入γ’相內的主要是長度較長的螺型或60°位錯(Screw or 60°dislocations)；而1000℃拉伸變形後表現為均勻的介面位錯網結構，γ基體內位錯密度的增加，γ 相內部切入了大量位錯。

圖4介面位錯網結構：(a) EBM製備態及(b)1000℃拉伸變形後的IC21合金

圖5 室溫拉伸變形後IC21合金的位錯特徵：g¢相內切入a/2<110>位錯對及螺型或60°位錯形成示意圖

綜上所述，本研究透過最佳化EBM工藝引數，提出了一種增材製造緻密無裂紋不可焊高溫合金的掃描策略；同時，採用XPS手段明確了合金在增材製造時的開裂行為與Si、Cr元素在液化膜的富集有關；最後，採用TEM微觀分析手段分析並闡明瞭EBM製備IC21合金的室溫/高溫變形機制。（文：姚羿）

*感謝論文作者團隊對本文的大力支援。