金屬3D打印（增材制造）在近30年前還只是個概念，但由于該方法精密制造的可行性，在近些年已經(jīng)在各領(lǐng)域逐漸步入應(yīng)用階段。其中，高溫合金有巨大潛力。這類合金主要應(yīng)用于飛機發(fā)動機的渦輪葉片，其服役條件極為苛刻——高溫高應(yīng)力且伴隨腐蝕和氧化。高溫合金葉片多年來一直使用精密脫蠟鑄造，但其過程過于冗長，且面臨著薄壁等技術(shù)難題的根本性挑戰(zhàn)。因此增材高溫合金對（超）復(fù)雜結(jié)構(gòu)的部件有著極強的顛覆性。

當(dāng)然，增材高溫合金也面臨諸多挑戰(zhàn)。其中使用激光粉床等方法時，由于局部降溫速度過快，其微觀組織很可能處于非穩(wěn)態(tài)。對于依賴強化相來優(yōu)化性能的高溫合金來講，傳統(tǒng)熱處理方案很可能不再完全適用——畢竟不同加工路徑下的初始組織已截然不同。更行之有效的熱處理設(shè)計方案有待開發(fā)，這無疑需要深入的基礎(chǔ)研究。

近期，來自牛津大學(xué)，伯明翰大學(xué)，鉆石光源同步輻射中心，英國國家物理實驗室等單位的研究人員對增材高溫合金進行多尺度研究。該研究側(cè)重同步輻射光源原位衍射（S-XRD），并通過大量的原子探針（APT），高角度環(huán)形暗場電鏡（HAADF-STEM），納米二次離子質(zhì)譜（Nano-SIMS）和電阻率實驗來觀測高溫合金在不同溫度下的反應(yīng)，從而總結(jié)出初始增材條件下高溫合金組織在加熱條件中的演化，并在此基礎(chǔ)上對新熱處理策略提出新思路。該研究發(fā)表在增材制造頂刊《Additive Manufacturing》，本文第一作者兼通訊作者為牛津大學(xué)湯元博博士。

原文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860423000027

該研究首先著重表征了一種新型高溫合金ABD-900AM的增材初始態(tài)，通過同步輻射衍射，原子探針，高分辨（掃描）透射電鏡等工具，確認(rèn)其初始態(tài)的伽馬一撇強化相被完全抑制形核，其初始態(tài)為過飽和伽馬基體。其主元素偏析程度極低，不過碳、硼、硫的辨析明顯且已經(jīng)變成化合物。對于高溫合金而言，這是一個嶄新的起點，因為通過鑄造，鍛造，粉末冶金成型的高溫合金的初始態(tài)都是伽馬一撇與伽馬基體雙相。傳統(tǒng)的均勻化處理可能不再是必要過程——初始態(tài)幾乎是完美的均勻態(tài).

在此基礎(chǔ)上，研究人員對該材料進行熱處理并使用原位同步輻射衍射來測量伽馬一撇強化相的衍化。該合金在740度左右開始有明顯的體積分?jǐn)?shù)增長，而從亞固溶溫度降溫后，可明顯看到體積分?jǐn)?shù)的第二波增長。前一波的強化相來自加熱，而第二波的來自降溫。更值得一提的是，首次在加熱中形核的伽馬一撇具有很高晶格常數(shù)，相應(yīng)的晶格失配極高（約十倍于同類合金），而隨著保溫一小時，晶格失配回歸正常水平。原子探針數(shù)據(jù)顯示，兩相在保溫的開始與結(jié)束都經(jīng)歷了元素變化，這可能是晶格失配的主要原因。而后，電阻率測試在加熱過程中發(fā)現(xiàn)最早的電阻率明顯變化出現(xiàn)在500度上下，伽馬基體的晶格常數(shù)在這個溫度范圍也有微小變化，這預(yù)示著可能最開始的強化相形核很可能出現(xiàn)在這個溫度范圍。

另外，該研究還發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱處理溫度足夠高可以導(dǎo)致靜態(tài)再結(jié)晶，而再結(jié)晶溫度可能需要遠(yuǎn)超于一般認(rèn)為的固溶溫度，這被認(rèn)為與材料中納米級氧化鋁的生成導(dǎo)致，因此回收的金屬粉末可能會需要更高的再結(jié)晶溫度。

圖2：ABD900AM合金在不同條件下的碳、硼、硫、氧的表征。其中初始態(tài)中硼有明顯元素偏析，碳硼硫都產(chǎn)生了化合物，氧含量則非常均勻。

圖3：ABD900AM和ABD850AM合金在亞固溶和過固溶熱處理的原位同步輻射光源衍射

本文結(jié)尾處還特別討論了熱處理增材高溫合金的新策略，其中包括可以避免或大幅度縮短的均勻化處理；亞固溶處理中加熱速率把控的重要性；過固溶對于降低位錯密度以及各向異性的貢獻等。誠然，對于增材高溫合金而言，新的熱處理方案有潛力進一步優(yōu)化部件的服役表現(xiàn)。