Hastelloy X合金為一種固溶強化型鎳基高溫合金，在900℃以下有中等持久強度，主要用于制造航空發(fā)動機燃燒室部件。目前，國內(nèi)外針對選區(qū)激光熔化成形Hastelloy X合金已開展部分研究 ，主要研究成形工藝參數(shù)與后處理工藝對缺陷、顯微組織、室溫拉伸性能的影響等，但關(guān)于合金持久性能的研究較少。由于燃燒室部件工作條件惡劣，長期處于高溫工況，材料需具備優(yōu)異的抗氧化、抗腐蝕性能，具有良好的長期組織穩(wěn)定性，以及足夠的高溫強度，包括抗張強度、屈服強度和持久、蠕變強度等。實際工作中發(fā)現(xiàn)，SLM成形技術(shù)作為一種新技術(shù)，其產(chǎn)品組織與性能的一致性和穩(wěn)定性是目前迫切需要解決的問題；因此，本研究針對選區(qū)激光熔化成形Hastelloy X合金持久性能開展了一些工作。

1?材料與方法

對47批次成形與后處理工藝相同的選區(qū)激光熔化成形Hastelloy X合金持久性能進(jìn)行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計結(jié)果如圖1所示。持久試驗條件為：溫度815℃,應(yīng)力105MPa,其中，橫向表示試樣軸向平行于打印基板，縱向表示試樣軸向垂直于打印基板。從圖中可以看出，SLM成形Hastelloy X合金縱向試樣持久壽命與持久延伸率均高于橫向試樣，縱向試樣持久性能優(yōu)于橫向試樣。此外，SLM成形Hastelloy X合金持久性能各批次存在性能波動，穩(wěn)定性較差，平均持久壽命約44h,平均延伸率約14%。其中，10批次試樣持久壽命低于24

h,17批次試樣持久延伸率低于10%,其持久壽命與延伸率偏低。就持久試樣橫縱向性能差異問題、部分批次持久壽命與延伸率偏低問題分別進(jìn)行了研究。

Hastelloy X合金粉末經(jīng)選區(qū)激光熔化成形制備Hastelloy X合金試棒，試棒經(jīng)熱處理與熱等靜壓后處理工藝后，進(jìn)行高溫持久試驗，Hastelloy X合金粉末形貌如圖2所示。采用Zeiss AxioImager M2m金相顯微鏡觀察顯微組織形貌，利用Zeiss Sigma 500掃描電鏡表征持久試樣斷口和高倍顯微組織形貌。

2?結(jié)果與分析

2.1?橫縱向試樣性能差異分析

選區(qū)激光熔化成形HastelloyX合金經(jīng)熱處理與熱等靜壓后，橫縱向顯微組織形貌如圖3所示?？v向試樣晶粒沿垂直于基板方向略有拉長，晶內(nèi)碳化物部分沿縱向呈鏈狀分布，這與沉積態(tài)組織中定向分布的枝晶生長方向吻合，因為枝晶界是第二相形成元素富集位置，易于析出第二相，這些元素沿縱向呈鏈狀分布，在熱處理和熱等靜壓過程中形成鏈狀碳化物，而橫向試樣的晶粒基本呈等軸狀分布，因枝晶界分布相對分散，碳化物呈彌散分布。

研究表明，相比于縱向試樣，選區(qū)激光熔化成形Hastelloy X合金橫向試樣室溫拉伸性能呈現(xiàn)高強度低塑性特征，在文獻(xiàn)[7-9]中也發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象，可能與晶粒形態(tài)與碳化物分布有關(guān)，還需要開展更深入的研究工作對原因進(jìn)行進(jìn)一步的分析。高溫持久試驗過程中，在溫度較高、應(yīng)力較低的情況下，裂紋通常分散于晶界各處，易在垂直于拉應(yīng)力方向的晶界上形核，晶界滑動引起的應(yīng)力集中與空位擴散對裂紋的擴展起著重要作用{10}。根據(jù)圖1所示持久壽命分布圖，可以看出縱向試樣持久性能普遍優(yōu)于橫向試樣。這主要是縱向試樣晶粒形態(tài)為沿拉應(yīng)力方向的柱狀晶，垂直于加載方向的橫向晶界數(shù)量少，萌生微孔的數(shù)量較少，微孔萌生在不同高度差的橫向晶界，聚合過程延長，持久性能優(yōu)于橫向。

2.2?持久斷口分析

對持久試驗后的斷口進(jìn)行分析，持久斷口平齊，無明顯頸縮?？v向試樣與橫向試樣斷口的典型形貌如圖4、圖5所示，斷口均呈現(xiàn)沿晶韌窩特征，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，斷口表面覆蓋大量氧化物，持久試驗時間較長的試樣因氧化較重，韌窩特征被氧化物覆蓋，橫向試樣斷口存在較明顯的取向特征(圖5),無其他明顯差異。

持久試樣表面存在較多微小橫向裂紋，在斷口附近沿試樣軸向剖面制備金相試樣進(jìn)行顯微組織觀察，如圖6所示，斷口附近可見多處垂直于主應(yīng)力方向的微裂紋，裂紋處均可見連續(xù)碳化物分布。微裂紋在晶界碳化物處萌生，更易在晶界大顆?；蜻B續(xù)薄膜狀碳化物處萌生，裂紋萌生數(shù)量較多，經(jīng)擴展后相互聚合形成宏觀裂紋，引起斷裂。

由此可見，Hastelloy X合金高溫持久斷裂模式屬于典型微孔聚合型沿晶韌窩斷裂，晶界碳化物為持久微裂紋萌生位置，尤其是晶界大顆粒、薄膜碳化物的存在，微孔或裂紋極易在此萌生，因此晶界碳化物的形態(tài)、分布是影響持久性能的重要因素。

2.2持久試驗后顯微組織

整體考慮橫向、縱向試樣，以持久時間24h、延伸率10%為性能指標(biāo)，根據(jù)性能不同可將持久試樣分為3類：第一類，持久壽命、延伸率均達(dá)標(biāo)；第二類，持久壽命偏低，延伸率達(dá)標(biāo)；第三類，持久壽命達(dá)標(biāo)，延伸率偏低.不存在持久壽命與延伸率均偏低的試樣。對持久試驗后試樣的軸向顯微組織進(jìn)行觀察，3類試樣縱截面顯微組織形貌如圖7所示，持久試驗后，晶粒內(nèi)部析出大量碳化物。相對于第一類試樣(圖7a),第二類試樣晶界明顯粗化，部分碳化物呈鏈狀(圖7b),第三類試樣晶粒內(nèi)部碳化物明顯增多(圖7c)。

持久試驗后，晶界處與晶粒內(nèi)部碳化物典型SEM形貌如圖8所示，可以看出持久試驗過程中，針狀碳化物在晶粒內(nèi)部與晶界處析出，以晶內(nèi)析出為主；晶界處碳化物呈薄膜狀或大顆粒狀分布。相關(guān)研究表明，在晶界析出的顆粒狀不連續(xù)碳化物，可阻礙晶界滑動和裂紋擴展，提高持久壽命，改善持久塑性與韌性；碳化物若以片狀(針狀)在晶界和晶粒內(nèi)大量析出，則會使合金塑性降低；若其以膜狀在晶界處析出，將失去對晶界的釘扎作用并導(dǎo)致應(yīng)力集中，促進(jìn)碳化物與基體界面發(fā)生剝離以及蠕變孔洞形成和裂紋擴展，大幅降低合金的持久性能。對比持久試驗后各性能試棒縱截面顯微組織可推斷：持久試驗過程中，晶界碳化物析出呈薄膜狀分布，晶界粗化，使晶界強度減弱，導(dǎo)致持久壽命偏低；部分試樣晶粒內(nèi)部大量析出碳化物，使晶粒變形困難，導(dǎo)致持久延伸率偏低，碳化物形態(tài)與數(shù)量是影響持久性能的主要因素。

2.4?成形與后處理過程中顯微組織演變

通過上述斷口分析與顯微組織分析可以確定，持久性能偏低與碳化物形態(tài)、數(shù)量相關(guān)，為掌握碳化物析出規(guī)律，對SLM成形與后處理過程中顯微組織演變進(jìn)行追蹤。

Hastelloy X合金沉積態(tài)、熱處理態(tài)、熱等靜壓態(tài)的顯微組織形貌如圖9所示。如圖9a所示，沉積態(tài)整體為分層堆積鑄造組織，類似堆焊組織，枝晶沿凝固散熱方向形成了柱狀晶特征，后一個熔池在前一個熔池凝固的基礎(chǔ)上凝固，無明顯晶粒組織，僅可見鑄造枝晶及堆積成形的弧形層狀特征。平行于沉積方向分布大量微裂紋，屬典型熱應(yīng)力裂紋，因Hastelloy X合金導(dǎo)熱性較差，熱分布不均勻引起的，通常產(chǎn)生于凝固初期或高溫階段，與激光熱輸入量，凝固冷卻速率有關(guān)，熱輸入越大，上限溫度越高，冷卻速率越快，開裂敏感性越大。

文獻(xiàn)[12]表明，M??C?型碳化物析出峰溫度為850~980℃。鏈狀或薄膜狀碳化物富集的晶界應(yīng)屬于打印凝固形成的原始枝晶界，在隨后的熱處理和熱等靜壓冷卻過程中，碳化物大量時效析出，碳化物尺寸相對較小，但由于時效充分，顆粒相互連接合并，局部生成了薄膜狀相，降低晶界高溫強度，損害合金高溫持久性能?，F(xiàn)有熱處理冷卻方式為真空氣體冷卻，熱等靜壓工藝?yán)鋮s方式為爐冷，冷卻速率較慢，碳化物在冷卻過程中時效析出。調(diào)整熱處理及熱等靜壓冷卻速度，在碳化物析出峰附近快速冷卻，避免冷卻過程中碳化物大量析出連接合并，形成晶界薄膜相或大顆粒相，通過碳化物形態(tài)與數(shù)量的控制，提升HastelloyX合金持久性能。同時應(yīng)注意，冷卻速度控制會影響晶粒內(nèi)部碳化物析出量，避免晶粒內(nèi)部碳化物含量太低影響合金強度，含量太高影響合金塑性。通過反復(fù)工藝迭代，確定最優(yōu)的顯微組織形態(tài)，并監(jiān)控不同批次合金的顯微組織，以提高批次性能穩(wěn)定性。

3結(jié)論

1)?選區(qū)激光熔化成形Hastelloy X合金縱向試樣持久性能優(yōu)于橫向試樣，主要與晶粒形態(tài)和取向有關(guān)；

2)?選區(qū)激光熔化成形Hastelloy X合金持久斷裂機制為微孔聚合型沿晶韌窩斷裂；

3)持久試驗過程中，Hastelloy X合金晶界與晶內(nèi)析出大量碳化物，持久壽命偏低與試樣晶界碳化物連續(xù)呈薄膜狀分布使晶界強度減弱有關(guān)，持久延伸率偏低與晶粒內(nèi)部碳化物析出量增多相關(guān)，碳化物形態(tài)和數(shù)量是影響選區(qū)激光熔化成形Hastelloy X合金持久性能的主要因素。