通过添加微量Sc同步增强镍基高温合金的可3D打印性与性能

来源： 增材制造技术前沿

镍基高温合金在制造需要承受极端环境和热应力的产品中发挥着至关重要的作用。其中，主要由Ni3(Al, Ti)组成的γ′相是镍基高温合金的关键强化相。因此，Al和Ti的比例对于实现高含量的γ′相和优异性能至关重要。然而，高含量的γ′相会导致可打印性能下降，并在3D打印过程中形成凝固裂纹。特别地，Al + Ti含量超过6wt%的镍基高温合金被认为是不可焊接的。因此，研究人员正付出大量努力，通过3D打印生产无缺陷的高Al和高Ti镍基高温合金。

例如，通过降低制造过程中的温度梯度来减轻镍基高温合金的内部应力，从而缓解其开裂倾向。同时，通过调整化学成分或引入第二相粒子，合金设计被证明能够最小化开裂敏感性。调整微量元素如B、C、Zr可以增强合金的机械性能，但它们也可能在3D打印过程中引发热裂纹。

众所周知，添加微量稀土元素可以显著改善合金的机械性能。增材制造技术前沿注意到，来自中南大学的研究人员近日发表了题为“Synchronously enhanced printability and properties of additively manufactured nickel-based superalloys via alloying minor Sc”的文章，在不改变主要元素、不增加合金制造成本的情况下，通过添加微量稀土元素Sc来抑制不可焊接镍基高温合金在增材制造过程中的开裂问题。

https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.03.087
本研究采用了含有7wt% Al + Ti、13% Co、12% Cr、4% Mo、4% W、4% Ta以及≤0.3%的C+B+Zr+Hf组合的13Co镍基超合金材料。通过添加约0.01%的Sc，制备了13Co + Sc合金变体。采用雾化法制备了粒径范围为10-63 μm的35Co和13Co + Sc粉末，并进行了筛分，采用SLM技术成功制备了无需后续热处理的试样。

研究发现，13Co合金中存在许多裂纹和孔隙，大部分与建造方向平行，其中一些裂纹长达数百微米。相比之下，13Co + Sc合金中的裂纹较少且较短，只观察到微小裂纹和球形孔隙。13Co和13Co + Sc合金的密度分别为98.5%和99.4%。EBSD分析表明，与13Co合金相比，13Co + Sc合金的平均晶粒尺寸更小。此外，13Co + Sc合金显示出明显的柱状晶粒定向生长，长度可达300–500 μm。织构强度分析显示，13Co + Sc合金的择优生长方向更为显著，其织构最大强度为15.45，而13Co合金的织构强度仅为5.74，表明13Co合金的晶粒生长方向更为随机。这些差异归因于Sc元素的添加，它细化了晶粒并增强了合金承受热应力和凝固收缩的能力，尽管两种合金的激光加工条件相同。

a.光学显微镜图像；b.打印合金的裂纹密度、孔隙率和相对密度；c).13Co合金和13Co+Sc合金的XRD图谱； (d1) 13Co 和 (d2) 13Co + Sc 的 EBSD 图像；(e1) XZ 平面和 (e2) XY 平面的晶粒尺寸分布；分别为打印态13Co 和13Co + Sc 在 XZ 平面的极图

尽管两种合金都含有类似类型的白色纳米析出物，但它们的内部形态却有所不同，这很可能是由于添加了Sc元素。在镍基超合金中添加Sc会导致形成新的Al3Sc析出相，该析出相与Ni基体之间形成一致界面。这有助于异质形核，促进晶粒细化，并使碳化物和硼化物在晶界上分布更为均匀。此外，Sc还有助于缓解B和C等元素在晶界的浓度，从而减少热应力的累积，并在一定程度上防止裂纹的形成。这些效应共同增强了13Co + Sc合金的机械性能和微观结构的稳定性。

a.13Co和13Co+Sc合金在环境温度下的拉伸性能；b,c.13Co合金和(d,e)13Co+Sc合金的断裂形貌

13Co合金的屈服强度为756 MPa，拉伸强度为846 MPa，延伸率为6.3%。相比之下，13Co + Sc 合金表现出更好的性能，屈服强度为906 MPa，拉伸强度为1036 MPa，延伸率为 8.9%。这意味着与13Co合金相比，13Co+Sc合金的屈服强度增加了约19.8%，拉伸强度增加了22.5%，伸长率增加了41.3%，凸显了Sc 添加对机械性能的有益影响。

对13Co合金的拉伸断口分析显示，存在许多裂纹和较大的开口，裂纹往往沿枝晶路径扩展，这是由于凝固问题所致。相比之下，13Co + Sc合金内部裂纹较少，并显示出穿晶断裂面，同时存在许多凹坑，这表明合金具有较高的塑性。这一现象归因于13Co + Sc合金内部裂纹较少，以及晶间结合力更强。这些特点使得13Co + Sc合金在受力时能够更好地抵抗裂纹扩展，从而提高其整体力学性能。

总的来说，本文研究了Sc对增材制造镍基超合金微观结构和性能的影响。结果表明，Sc促进了晶粒细化，并使碳化物和硼化物等低熔点相在晶界上的分布更加均匀，减少了热应力的积累，抑制了裂纹的形成，从而提高了增材制造超合金的可打印性和性能。这些发现为优化镍基超合金的增材制造工艺和提高其实际应用性能提供了重要的理论依据。