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综述:镍基高温合金的粉末床熔融增材制造研究进展

时间:2022-07-11 09:58 来源:南极熊 作者:admin 阅读:
        导读:本文旨在回顾两种主要粉末床熔融(PBF)技术——激光粉末床熔合(LPBF)和电子束熔合(EBM),在制备镍基高温合金的组织和力学性能方面的研究成果。介绍了PBF工艺生产的微观结构的特点,随后概述了最常用的打印工艺,以及打印件质量检测技术。对PBF镍基高温合金的抗拉强度、硬度、剪切强度、抗疲劳性能、抗蠕变性能和断裂韧性等力学性能进行了综合评价。
         航空航天工业代表了增材制造机器生产商的一个重要发展方向,因为大量的部件具有很高的价值,并使用高价值的材料[40]生产。事实上,镍基航空部件的特点是几何形状复杂,产量低。此外,考虑到镍基高温合金优异的机械性能,以及设计用于安全关键应用的特性,这些零件用传统加工技术加工是困难和昂贵的[41-44]。因此,必须特别注意工装、冷却剂和加工参数的选择,以免导致生产成本增加[40]。相反,PBF制造复杂几何形状的能力允许在组件中加入新的和额外的功能。因此,该领域是展示PBF与镍基高温合金结合的潜力的合适方法。
本文中出现的专业名词解释
图1所示。在PBF试件中突出各向异性时常用的构建方向和主平面的布局。注意这个原始方向通常被认为与机器的坐标系统对齐
1.摘要
在过去的二十年里,增材制造中与镍基合金材料相关的出版物数量急剧增加(见图2)。

图2所示。关于镍基高温合金增材制造的出版物数量(来自Scopus数据库),包括主要里程碑[2-8]。这表明与增材制造中镍基材料相关的出版物有所增加。
        关于金属的增材制造,特别是粉末层融合(PBF),前人已经做了很多的研究。迄今为止的文献综述提供了金属增材制造技术的总体概述,重点是加工方法、相应的微观组织、力学性能及其在各种材料中的应用[3,9-12]。Murr 等人比较了两种主要的金属PBF技术,即激光粉末床融合(LPBF)和电子束熔化(EBM),以及它们对常用结构材料[13]的加工,Korner等人则回顾了EBM技术和金属材料[14]的工艺性能环节。Song等人回顾了LPBF制造的组件与常规制造的[15]组件在微观组织和力学性能方面的差异。Sames等人回顾了一系列金属增材制造技术,重点关注它们的问题和机制,以及创建模型来模拟它们[16]。Basak和Das综述了常用金属合金在不同金属增材制造技术处理下的组织演变。在文献中,有关于LPBF制造部件一般力学性能的综述文献[18-20]。这些研究主要集中在增材制备Ti-6Al-4V组分[21,22]和镍基高温合金[23,24]的组织和力学性能。
        Wang等人综述了LPBF制备的Inconel (IN) 718组件,主要关注其组织和力学性能[25]。这可能是与本文所进行的综述最相似的工作,而本文仅代表了现有文献中最先进技术的一小部分。Aboulkhair等人对铝合金[26]进行了全面的综述。Zhang等综述了LPBF钛合金及钛基复合材料在生物医学工程中的应用。值得一提的是,也有关于新颖设计[28]和材料系统[29]应用于增材制造的综述论文。然而,目前对PBF镍基高温合金力学性能的研究还没有一个全面的综述,这方面的综述能够为该领域的学者提供了一个权威和全面的资源。因此,本文的目的是对PBF镍基高温合金的力学性能进行全面的综述。这将为研究人员更好地了解PBF的最新技术和工艺参数对力学性能的影响提供依据。在本综述的最后,将给出针对不同力学性能所进行的研究的摘要,以帮助实践者确定已经进行了哪些类别的材料评估,并确定研究中的差距。
最后讨论了PBF在镍基高温合金加工中的机遇和不足。由于我们对基本冶金和工艺本身的理解发展迅速,因此有必要让业内有一个可供借鉴的参考点。
1.1 粉末床熔融技术
       本文重点介绍了PBF技术的两种基本原理:LPBF和EBM。PBF是金属零件加工中最常用的增材制造技术之一。该工艺由两个阶段组成:首先,粉末均匀地分布在工作区域,然后是能源(LPBF的激光和EBM的电子束)根据三维模型选择性熔化粉末床,从而建立最终组件[30]。这些制造方法的两个主要区别是它们的电源和电力传输系统。图3[9]展示了典型的LPBF和EBM系统的两幅图。
图3所示。两种主要粉末床熔合工艺示意图:(a)激光粉末床聚变。(b)电子束熔化系统。两个主要的区别(电源和电力传输系统)是可见的。[9]

其他研究人员已经对两种方法和过程的细微差别进行了适当的审查,表1总结了两种系统之间的相关差异[9,16,30]。这种方法可以用于处理各种材料,从金属到陶瓷,为许多应用,如航空航天,生物医学和汽车。对于所有类型增材制造平台可用材料的广泛回顾,读者可以参考Bourell等人对[31]主题的回顾。

表1激光粉末床熔炼与电子束熔炼的主要区别。这提供了对过程特征的洞察[9,16,30]。
1.2. 镍基高温合金及其在增材制造中的作用
本节将重点介绍镍基高温合金的特点、它们适用于PBF的原因以及它们的应用实例,尤其是在航空航天领域。
1.2.1. 镍基高温合金的特性
镍基高温合金是现代航空发动机材料家族的一种[34,35],具有高温强度、韧性、蠕变和抗氧化/腐蚀的综合性能。由于这些原因,这类合金被广泛应用于在临界环境下工作的部件中。第一代镍基高温合金是为喷气发动机的高温应用而设计的,包括20世纪40年代由英国HenryWiggin公司开发的Nimonic 75[34]。从那时起,镍基高温合金不断被生产、研究并用于制造涡轮叶片、涡轮盘、密封件、环和燃气轮机的其他部件。
       如今,一个典型的喷气发动机中含有将近1.8吨镍基高温合金。这些材料对将喷气发动机的连续工作寿命提高到20,000 h[37]以上有很大的贡献。虽然涂层技术(如氧化锆基热障涂层,TBCs)也有助于提高高温性能,但基底镍基高温合金的作用再怎么强调也不为过。图4显示了可焊性以及镍基高温合金在制造中的应用。这是一个有用的指标,如何挑战高完整性增材制造将是给定的材料。实际上,流程窗口在破碎的红线以上大大减少了。
图4所示。一系列镍基高温合金的“可焊性”图,其Ti和Al合金元素组成的函数。图来自Catchpole- Smith等人[38]。虚线以上的可焊性较差,随着Ti和Al含量的增加而恶化。这项工作将为今后合金成分的研究提供参考。
镍基高温合金应用于许多领域,如陆基燃气轮机、核电站和化学容器。表2报告了镍基高温合金的一些常见应用。
表2镍基高温合金[39]的常用用途。这表明了增材制造的镍基高温合金可以应用的众多领域。
图5总结了PBF研究中镍基高温合金的类型。从这一数据可以清楚地看出,IN718和IN625是PBF研究中探索最多的。它们的组成见附录中的表8。


图5所示。饼图显示了迄今为止在粉末层聚变研究中研究的镍基高温合金,来自290项研究。铬镍铁合金718和铬镍铁合金625是研究最多的合金,因为它们的使用水平主要是在航空航天市场,航空航天有直接的机会。

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