導讀:鈷基γ′強化高溫合金在發電設備和航空航天工業等眾多領域顯示出巨大的潛力。激光粉末床熔合技術的特點與高溫合金強織構或單晶組織的要求相吻合。然而,由于不可避免的再結晶,后熱處理工藝往往會破壞打印件的初始組織。在本研究中,我們在打印的Co-5Al-14V (at.%)三元鈷基高溫合金中獲得了強<101>織構,這在鎳基高溫合金中很難實現。有趣的是,這種<101>織構即使在接近γ′溶劑溫度的時效處理后仍保持熱穩定。因此,獲得了具有均勻分布的γ′(L12)相的<101>織構組織,有利于提高高溫蠕變性能。本研究所揭示的獨特的微觀結構特征,將有利于鈷基高溫合金的發展,并為其他LPBF制造的高溫合金的微觀結構工程提供指導。
由于鈷基合金的熔點比傳統的鎳基合金高40°C,因此對高溫合金更高工作溫度的追求導致了鈷基合金的探索。鈷基高溫合金具有強大的織構或類似單晶的結構,這為其提供了幾個優點,包括耐高溫蠕變和抗低周疲勞性能的提高。這種強織構或單晶結構可以通過定向凝固等傳統制造方法來實現。激光粉末床熔融(laser powder bed fusion, LPBF)技術作為最有前途的高質量金屬增材制造方法之一,由于激光熱源與印刷基材之間的溫度梯度,可以直接打印出具有明顯柱狀晶粒和強烈紋理的部件。
大量研究證明,調整LPBF的工藝參數可以導致紋理變化。面心立方(FCC)的晶體結構呈現沿<100>軸。因此,晶粒的生長方式與它們的<100>取向與熱流方向一致。模擬結果表明,與傳統鎳基高溫合金的<001>結構相比,<111>和<101>具有更好的耐高溫蠕變性能。同時,實驗結果也證明:與<001>織構相比,<111>結構可以提高高溫蠕變性能。然而,在高溫固溶處理和時效過程后,LPBF制造要保持強烈的織構結構是一個巨大的挑戰。由于LPBF過程中極端熱循環帶來的高位錯密度,這些打印過程通常會導致再結晶,導致材料晶體取向的隨機化,并破壞固有的首選取向。如圖S1所示,在打印的Co-5Al-14V樣品中存在高密度位錯。最近,我們開發了一種具有高溶劑溫度的新型Co - Al - V基高溫合金。900℃時Co-Al-V三元體系的等溫切面圖(圖1a)顯示,與典型的Co-Al-W三元體系相比,Co-Al-V三元體系的γ/γ′兩相組成區域相對較寬。這種廣泛的成分范圍為添加其他合金元素提供了有利條件,為該系列高溫合金的未來發展帶來了機遇。在本研究中,我們選擇了堿性三元合金Co-5Al-14V (at.%)進行打印并進行了顯微組織研究。
我們的研究表明,這種新型鈷基高溫合金系列可以實現高強度的<101>織構沿建筑方向,這是傳統鎳基高溫合金不易形成的特征。Co-5Al-14V合金在900℃時效24h后,我們發現:盡管該溫度接近964°C的γ溶劑溫度,但織構仍然非常穩定。利用這種穩定的織構,我們獲得了均勻分布的γ′相,同時保留了<101>900°C直接時效,織構取向強。這些發現突出了新型鈷基高溫合金在LPBF工藝中的獨特優勢,并強調了它們在LPBF形成的單晶結構發展方面的巨大潛力。
哈爾濱工業大學鄭忠教授團隊對此進行了研究,相關研究成果以題為“Thermally stable strong <101> texture in additively manufactured cobalt-based superalloys”發表在期刊Scripta Materialia上。
鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646223006632
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