導讀:熱裂是γ’-(Ni,Ti)3Al析出強化型鎳基超合金的粉床熔融增材制造(PBF-AM)中的主要難題。盡管影響熱裂的液化機理已得到深入研究,但由于高維工藝參數(shù)空間和掃描策略帶來的復雜性,對觸發(fā)熱裂的機械效應(yīng)一直以來缺乏深入認識。此外,如何將基于(Al+0.8Ti)含量的難焊接性準則與熱裂機理相結(jié)合,也是有待解決的重要課題。本研究通過機器學習優(yōu)化粉床電子束熔融增材制造(PBF-EB)的高維參數(shù)空間以確定工藝窗口,發(fā)現(xiàn)工藝窗口內(nèi)的細晶樣品也有開裂的情況,而粗晶樣品也有不開裂的情況,并通過熱-機械場耦合模擬揭示了觸發(fā)熱裂的關(guān)鍵因素——機械效應(yīng)。本研究通過機械效應(yīng)與成分效應(yīng)的結(jié)合,對熱裂機理與導致難焊接性的根本原因進行了新的探究。
能夠在接近熔點的高溫環(huán)境下服役的γ’-(Ni,Ti)3Al析出強化型鎳基超合金,因其推動了先進航空發(fā)動機的發(fā)展,被譽為是材料科學領(lǐng)域的重大突破之一。近年來,由于制造具有如內(nèi)部水冷通道的復雜近凈成形高溫部件的需要,使用粉床熔融增材制造技術(shù)(PBF-AM)生產(chǎn)γ’-(Ni,Ti)3Al析出強化型鎳基超合金的研究受到了航空工業(yè)界的密切關(guān)注。但由于具有高γ’-(Ni,Ti)3Al體積分數(shù)的析出強化型超合金具有較大的熱裂傾向,使用PBF-AM生產(chǎn)難焊接性超合金制造對安全性有著嚴苛要求的高溫部件,這是一項具有實用潛力的難題。
目前,盡管對使用粉床電子束熔融增材制造(PBF-EB)和粉床激光熔融增材制造(PBF-L)制造難焊接性鎳基超合金已得到廣泛研究,但關(guān)于其熱裂機理仍存在爭議。近年來的原子尺度表征研究認為:由位于大角度晶界的納米尺度偏析引起的液化效應(yīng)是導致PBF-EB制造的難焊接性鎳基超合金熱裂的根本原因。然而,除了這一成分效應(yīng)以外,對在熱裂機理中不可或缺的機械效應(yīng)一直以來缺乏深入認識。此外,研究表明提高(Al+0.8Ti)含量傾向于增強難焊接性。盡管該難焊接性準則已被廣泛認知,但現(xiàn)有的熱裂機理并不能很好地解釋這一難焊接性準則。
日本東北大學金屬材料研究所的千葉晶彥教授團隊通過將液化效應(yīng)與機械效應(yīng)相結(jié)合來完善熱裂機理,揭示了導致難焊接性的根本原因。千葉教授等作者開發(fā)了一種利用機器學習高效優(yōu)化PBF-EB的高維參數(shù)空間的方法,并使用該方法在五維寬范圍參數(shù)空間中確定了能夠制造難焊接性713ELC合金的良好樣品的工藝窗口。通過考慮機械效應(yīng)在熱裂機理中的關(guān)鍵作用,并以此為指導思想,在機器學習優(yōu)化方法的輔助下控制工藝參數(shù),本研究在不調(diào)整合金成分的情況下制造出了沿造形方向和掃描方向均表現(xiàn)出遠超出傳統(tǒng)鑄造材料的機械性能的PBF-EB樣品。
以上研究成果以Critical factor triggering grain boundary cracking in non-weldable superalloy Alloy713ELC fabricated with selective electron beam melting為題發(fā)表在Acta Materialia上。
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https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116695
為了揭示PBF-EB過程中影響熱裂的機械效應(yīng)的機理,本研究首先利用一項專利技術(shù)制造了具有細小等軸晶的無裂紋樣品,經(jīng)測量得到了難焊接性超合金713ELC的各向同性高溫機械性能參數(shù),并通過基于可靠性能參數(shù)的熱-機械場耦合模擬研究了單軌熔化過程中的熱-機械場演變。為了突破高維參數(shù)空間和掃描策略帶來的復雜性限制,以進一步揭示單層熔化過程中的熱-機械場演變,作者開發(fā)了一個以計算流體動力學模擬與單軌熔化實驗為輔助的解析瞬態(tài)模型代碼,從而實現(xiàn)了數(shù)值模擬難以勝任的解析,即模擬實驗條件下整個單層熔化過程中的熱場演變?；谏鲜霾煌M的結(jié)合,提出了一個準全塑性應(yīng)變指數(shù)(QTPSI)的概念,以此化繁為簡地揭示了PBF-EB過程中的機械效應(yīng)。通過基于QTPSI概念的一系列推理,深入研究了受PBF-EB高維參數(shù)空間所支配的機械效應(yīng),并揭示了機械效應(yīng)在熱裂機理中的關(guān)鍵作用。
圖1 (a)廣泛參數(shù)空間的SVM預(yù)測過程圖。(b)在A區(qū)和B區(qū)的第二步優(yōu)化中獲得的測試樣品的平坦且呈網(wǎng)狀(良好)的頂表面。(c)良好的頂面,在A區(qū)中沒有T-2-3樣品的可見缺陷。(d)在B區(qū)中樣品T2-11可見缺陷的頂表面。(e)帶有細裂紋的樣品T2-3的垂直截面,(f)帶有寬裂紋和頂層缺陷的T2-11樣品的垂直截面,其對應(yīng)于頂面上的可見缺陷。
此外,通過基于可靠的各向同性高溫機械性能參數(shù)的熱-機械場耦合模擬,作者從機械效應(yīng)方面比較了難焊接性超合金713ELC和易焊接性超合金718中的熱裂傾向。同時,將以往文獻中較少被關(guān)注的時效應(yīng)變裂化機理與熱沖擊抗性的概念引入到本研究中,進行了關(guān)于機械效應(yīng)的探究,深入分析了材料因素與工藝因素對713ELC超合金的 PBF-EB過程中的熱裂傾向的影響。
圖2 (a)A區(qū)的SVM預(yù)測過程圖。(b)樣品的良好頂表面施加了局部最佳條件P1和接近最佳條件P2?4,(c)樣品的最佳頂表面施加了接近最佳條件Ls1?8的低應(yīng)力。
作者利用工藝窗口中的條件制造了許多具有不同凝固組織,且經(jīng)歷了不同的熱-機械效應(yīng)的影響的優(yōu)化樣品。通過分析比較大量的樣本,對熱裂問題得出了較以往更加可靠的結(jié)論,總結(jié)出了在工藝窗口中觸發(fā)713ELC合金熱裂的關(guān)鍵因素。盡管細化晶粒被認為是抑制熱裂的有效途徑之一,且以往研究表明,細晶樣品傾向于具有更小的液化效應(yīng)。本研究通過實驗證明,工藝窗口內(nèi)的細晶樣品也有開裂的情況,而粗晶樣品也有不開裂的情況。
圖4 (a)在上表面以下2 mm處捕獲的樣品P1?4的EBSD晶粒圖。
圖5 裂紋樣品P1和無裂紋樣品P2?4沿其(a)構(gòu)造方向和(b)掃描方向的室溫拉伸曲線。
圖6 半對稱板上電子束單道熔化的熱力學分析:(ad)在熔化后將板冷卻到接近預(yù)熱溫度時得出。(a)去除熔融區(qū)后的板中等效塑性應(yīng)變的3D圖。(b)在(a)中紅色虛線框指示的XZ截面上繪制等效塑性應(yīng)變。(c)3D視圖,指示在移除熔體區(qū)域的情況下板中最大主殘余拉伸應(yīng)力的方向。(d)在(a)中紅色虛線框表示的XZ截面上繪制最大主殘余應(yīng)力。
圖7 通過準總塑性應(yīng)變指數(shù)(QTPSI)評估單層熔融過程中累積的總塑性應(yīng)變水平的示意圖:(a)單軌熔融誘導的EPSI_B,(b)在QTPSI假設(shè)下的情況,(c)實際情況中有大量熱量積聚。
圖8 (a)合金713ELC和718隨溫度變化的各向同性有效彈性模量(E)和有效熱膨脹系數(shù)(α)的測量值。(b)繪制五個指數(shù)的雷達圖,這些指數(shù)反映了在單道熔化條件P1下E和α對Alloy713ELC和Alloy718的非焊接性的影響。括號中給出了每個軸的最小和最大比例(最小,最大)。
圖9 雷達圖繪制了六個指標,這些指標反映了將預(yù)熱溫度從1000°C降低到900°C對裂解傾向的影響。括號中給出了每個軸的最小和最大比例(最小,最大)。
綜上所述,本研究通過成分效應(yīng)與機械效應(yīng)的結(jié)合,完善了γ’-(Ni,Ti)3Al析出強化型難焊接性鎳基超合金在粉床電子束熔融增材制造(BPF-EB)中的熱裂機理,為今后利用粉床熔融增材制造技術(shù)(BPF-AM)制造對安全性有著嚴苛要求的部件的材料設(shè)計與工藝設(shè)計提供了指導思想。
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