南昌航空大学：激光定向能量沉积HX高温合金的组织演变规律和开裂机理研究

Hastelloy X (HX)是一种固溶强化型镍基高温合金，其具有优异的抗氧化性和高温强度，被广泛用于制造高温零件，例如燃气轮机的燃烧室部件。为了满足燃气轮机零部件轻量化、集成化结构的更高要求，激光增材制造技术逐渐被广泛使用。其具有代表性的技术有两种，分别是基于粉床熔融的选区激光熔化(SLM)/粉末床激光熔融(LPBF)和基于送粉沉积的激光定向能量沉积(LDED)/激光立体成形(LSF)。与LPBF技术相比，LDED具有沉积效率高、成形致密性好等特点，可用于修复金属构件。然而，由于镍基高温合金合金化程度高，相组成较为复杂，合金的凝固温度区间较大，导致激光定向能量沉积Hastelloy X高温合金的热裂敏感性要高，影响其服役安全，因此有必要对其开裂机理进行研究。

南昌航空大学刘丰刚博士研究了激光定向能量沉积（LDED） Hastelloy X合金延沉积方向的微观组织演变和开裂行为。研究团队首先研究了LDED Hastelloy X合金中的裂纹类型，分析了裂纹的形成机理与拓展行为，并解释了热影响区两种热裂纹之间的关系。相关研究成果以“Microstructural evolution and cracking behavior of Hastelloy X superalloy fabricated by laser directed energy deposition”为题发表在《Journal of Alloys and Compounds》上，论文第一作者为张文军硕士研究生，通信作者为刘丰刚博士和刘奋成教授。

▲论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.164179

图文简析

图1. LDED HX沿沉积方向不同部位的显微组织形貌：(a1)、(b1)、(c1)底部、中部和顶部的OM图像；(a2)、(b2)、(c2) 底部、中部和顶部的BSE图像

样品底部到顶部，冷却速率从2.0×103K/s降低到3.5×102K/s，这导致晶粒尺寸粗化（图1）。在试样底部，一次枝晶臂较小，晶粒尺寸也相对较小，晶界不平直，呈现锯齿状。随着沉积高度的增加，试样中部一次枝晶臂间距变得更大，晶粒尺寸明显增大，柱状晶的晶界变的平直，且晶粒生长方向几乎垂直于扫描方向。此外，在枝晶间和晶界处可以观察到明显的微观偏析，枝晶间析出Laves、M6C和σ，在晶界处析出M23C6（图2）。

图2. LDED HX沿沉积方向不同部位的SEM图像：(a1)、(a2)底部；(b1)、(b2)中间；(c1)、(c2)顶部

图3. (a)液化裂纹形貌和(b)凝固裂纹；(c)裂纹萌生放大图像；(d) 裂纹萌生的EDS线扫描结果

晶界液膜的形成主要与晶界处γ-M23C6共晶的液化有关。而γ-M23C6共晶的生成主要是由于Cr、Mo、C元素在晶界的偏析造成的。晶界处存在稳定的液膜是液化裂纹的先决条件之一。液膜的稳定性取决于枝晶间过冷度ΔTb，其与取向差角θ有关（图3和图4）。大角度晶界润湿性更好，有利于液相的铺展形成连续的液膜，并且液膜在大角度晶界处更容易保持稳定。这使得液化裂纹更容易在大角度晶界处形成并扩展。

图4. 裂纹区域晶粒取向扩展分布图

图5. 热裂纹机理示意图：(a-c)在HAZ中形成液化裂纹；(d-e)在HAGB中进一步扩展并成为凝固裂纹

晶界液膜处的应力集中沿沉积方向逐渐增大，为液化裂纹的萌生提供了驱动力。在凝固过程中晶界处析出的碳化物颗粒促进了钉扎作用，阻碍晶界液膜流动，影响后续的液相补缩，导致液化裂纹进一步扩展为凝固裂纹。

该研究结果为激光增材制造Hastelloy X合金裂纹的调控提供了一定的解决思路。

论文引用信息：

Wenjun Zhang, Fenggang Liu, Fencheng Liu, Chunping Huang, Haizhong Zheng, Qiang Zhang, Yongsheng Zheng, Jiaying Gao,Microstructural evolution and cracking behavior of Hastelloy X superalloy fabricated by laser directed energy deposition,Journal of Alloys and Compounds,Volume 905,2022,164179,ISSN 0925-8388,

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.164179.

主要作者简介

刘丰刚博士

南昌航空大学航空制造工程学院讲师，硕士生导师，主要从事金属材料的激光增材制造、修复再制造、激光加工等方面的研究工作。主持国家自然科学基金、江西省自然科学基金、西北工业大学凝固技术国家重点实验室开放基金等课题。在Additive Manufacturing、Materials Science and Engineering A、Journal of Alloys and Compounds、金属学报等国内外知名期刊上发表SCI、EI论文40余篇。获得国家技术发明专利5项。兼任中国机械工学学会增材制造分会委员、江西省机械工程学会增材制造分会副秘书长。

刘奋成教授

南昌航空大学教授，硕士生导师，兼职博导，南昌航空大学增材制造工程系系主任。江西省高层次高技能领军人才，省杰出青年基金获得者。主要从事金属材料增材制造及再制造技术、先进航空材料焊接和表面改性、金属基复合材料制备和表征等方面的研究工作。中国机械工程学会增材制造分会委员、中国有色金属学会增材制造专业委员会委员、中国光学学会激光加工专业委员会委员，《热加工工艺》杂志编委，《稀有金属材料与工程》和《特种铸造和有色合金》杂志青年编委。发表SCI论文60余篇，授权专利10余项，获中国产业化促进会一等奖、江西省自然科学奖一等奖、中国航空学会学技术奖二等奖等6项奖励。

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