電子束粉床熔融制備鎳基高溫合金構件的研究進展

錢虎虓,梁嘯宇,李 陽,闞文斌,林 峰

（1.中國航發動力股份有限公司，西安 710021；2.清華大學 機械工程系 清潔高效透平動力裝備全國重點實驗室 先進成形制造教育部重點實驗室 生物制造與快速成形技術北京市重點實驗室，北京 100084；3.清研智束科技有限公司，北京 102600）

鎳基高溫合金具有較好的高溫強度與抗蠕變、抗氧化性能，是應用最多的一種高溫合金[1]。鎳基高溫合金是渦輪發動機和燃氣輪機中的重要結構材料[2-4]，航空發動機中其用量一般在總質量的40%～60%，主要用于燃燒室、導向器、渦輪葉片、渦輪盤等四大熱端部件，也用在機匣、環件、加力燃燒室和尾噴口等部件[5]。

鎳基高溫合金的成形方法中，傳統的鑄、鍛包括粉末冶金等技術路線加工周期長，材料利用率不高，提高了材料的使用成本,也限制了應用范圍。金屬增材制造技術是一種新的解決方案，其無需模具、近凈成形的特點十分符合當前的設計和制造需求。粉末床熔融技術在制件性能和尺寸精度方面最為突出，因此在復雜結構制造中最具優勢，是最受重視的高價值鎳基高溫合金構件制備方法之一[6]。激光粉末床熔融（laser powder bed fusion，LPBF）技術已經在高溫合金構件增材成形方面取得了相當的進展，并出現了一些代表應用，包括EOS 與Hyperganic 合作推出的Aerospike 一體化火箭發動機[7]、阿麗亞娜6 型火箭（Ariane 6）使用的集成式噴嘴頭[8]、GE 公司使用鈷基合金一體化成形LEAP 渦輪發動機使用的燃油噴嘴[9]等。電子束粉末床熔融（electron beam powder bed fusion，EBPBF）技術與LPBF 技術的原理類似[10-11]，采用電子束而非激光束完成逐層填充成形，得益于特有的散焦電子束快速掃描預熱粉末床工藝，可以降低成形過程的凝固熱應力，減少高裂紋傾向材料成形時的裂紋萌生，適用材料范圍更加廣泛[12]。英國羅爾斯-羅伊斯公司利用EBPBF 技術制造了 Trent XWB-97 發動機鈦合金導向器，將原有的48 個導葉集成為了1 個完整部件，顯著縮短了研發與制造周期，同時增加了設計靈活性[13]。意大利Avio Aero 公司利用Arcam 公司的設備批量生產了應用于GE9X 發動機的鈦鋁低壓渦輪葉片，其質量約為傳統鎳基合金渦輪葉片的一半[14]。當然，EBPBF技術依然存在不足之處，如制件精度與表面質量不足、對后處理的依賴較大等。目前國內EBPBF 技術在航空裝備領域的應用仍處于研究階段，尚未獲得裝機應用[15]。雖然LPBF 目前比EBPBF 技術更加普及，近年來推出了大量的文獻報道，成為增材制造領域的熱點之一，但是EBPBF 技術在低應力、高效率等方面依然具有優勢，其工藝能力和特點值得關注。

本文對EBPBF 的技術原理和工藝過程等方面作簡要介紹，圍繞高溫合金為主題梳理EBPBF 技術不斷完善的加工能力，從完成常見牌號如Inconel 718 合金成形進展到無裂紋難焊高溫合金成形的發展過程，分析總結目前EBPBF 成形的鎳基高溫合金的相關性能，對今后的研究方向提出展望。

1 EBPBF 技術簡介

EBPBF 技術是指利用高能電子束流熔化粉末床上的金屬粉末顆粒從而逐層融合材料完成零件實體的成形技術。電子束粉末床熔融設備一般由電子槍系統、真空系統、供粉和鋪粉系統構成。圖1 展示了設備的基本組成和電子束粉末床熔融的工作原理[16]，包括：（1）粉層鋪設，在基板上鋪展一定厚度的粉末，在鋪第一層粉末之前，一般先對基板進行預熱，基板的預熱溫度根據成形材料需求通常為600～1100 ℃，這樣有利于保持整體粉床的溫度，以防止由于熱應力而產生裂紋及吹粉現象的發生；（2）粉末預熱，利用散焦的電子束快速掃描粉床進行預熱，粉床的預熱溫度視粉末材料而定，該過程使粉末產生“微燒結”，防止粉末飛濺和吹粉現象；（3）成形掃描，根據設定的掃描路徑掃描成形零件的一層截面，使零件截面內的粉末充分熔化形成致密的結合；（4）成形平臺下降，下降的高度決定了下一粉層的厚度，可以根據產品的形狀特征調整每個粉層的厚度以實現成形速度和質量的最佳平衡；（5）重復以上步驟實現零件的制造。

圖1 電子束粉末床熔融（EBPBF）設備（a）和工藝步驟示意圖（b）[16]Fig.1 Electron beam powder bed fusion（EBPBF）equipment（a）and schematic diagram of process（b）[16]

因為電子束的穿透能力很強，可以完全熔化較厚的粉末層。在EBPBF 工藝中，鋪粉層厚通常超過75 μm，甚至可達到200 μm。在提高沉積效率的同時，電子束依然能夠保證良好的層間結合質量。同時，EBPFBF 技術對粉末的粒徑要求較低，可成形的金屬粉末粒徑范圍為50～150 μm 甚至更廣，能夠降低粉末耗材成本。這些特點賦予了EBPBF技術在制造業廣闊的應用前景。

目前處于國際領先地位的EBPBF 裝備供應商為GE additive 集團的Arcam 公司，現已推出了A1、A2、A2X、Q10、Q20、Q20plus、SpectraH、SpectraL等不同型號EBPBF 成形裝備。近年來，得益于GE 公司在應用推廣和批量生產方面的諸多成果，更多裝備制造企業開始EBPBF 的裝備研發。瑞典Freemelt 公司開發了用于研究和開發增材制造金屬材料的Freemelt one 系統。英國Wayland additive公司提出了“電中和”方式抑制電子束選區熔化技術的“吹粉”問題，將該技術應用于其最新的Calibur3 設備。日本JEOL 借鑒電子顯微鏡和電子束光刻系統中開發的半導體制造技術，開發了具有高功率、高密度和高掃描速度的電子束金屬增材制造設備——JAM-5200EBM。在國內，清華大學最早開始開展電子束選區熔化裝備的研制工作，開發了EBSM-150 型裝備，并逐步迭代升級，促進了我國電子束選區熔化領域的快速發展。清研智束科技有限公司依托于清華大學進行技術的產業化工作，推出了QBeamLab、QBeamAero、QBeamMed 等型號裝備。西安賽隆金屬材料有限公司依托西北有色金屬研究院的研究基礎，逐步推出了商業化S200 型、Y150 型粉末床電子束3D 打印設備等。北京航空制造技術研究院也推出了自主生產的EBPBF 裝備。

對比LPBF 技術，EBPBF 技術具有以下優勢：

（1）電子束的功率較激光束大，能提高成形溫度，抑制冷裂紋的發生，實現室溫脆性、焊接性能較差材料的制備。

（2）能量利用率高，激光的能量利用率通常為10%左右，而電子束則為50%左右。

（3）電子束則采用電磁線圈進行偏轉，較振鏡系統的可控程度更高、調節能力更強，能夠實現電子束的聚焦程度、掃描速度、掃描方向、掃描電流的高效精密調控。

（4）電子束聚焦不受金屬蒸汽影響，熔化金屬材料時，金屬蒸汽會在成形空間內的物體表面鍍上金屬薄膜，激光的聚焦和偏轉將受到影響，而采用電磁線圈聚焦和偏轉的電子束不會受到影響。

（5）電子束系統一般采用真空成形條件，樣品不易污染，氧含量控制也更優異。

2 鎳基高溫合金的EBPBF 制備

EBPBF 技術在高溫合金制備中的價值很早就得到了關注，學者們在技術發展的前期主要圍繞著可焊鎳基高溫合金的成形可行性以及成形材料的質量做了相關工作。目前利用電子束粉末床熔融技術制備鎳基高溫合金的主要研究單位包括美國GE additive 集團Arcam 公司、橡樹嶺國家實驗室、勞倫斯國家實驗室、德國馬普所、埃爾蘭根-紐倫堡大學，日本東北大學等，國內研究團隊有清華大學、北京航空航天大學、空軍工程大學等。

2.1 可焊高溫合金的致密化

利用EBPBF 技術成形鎳基高溫合金的研究工作最早可以追溯到德國馬普所的Strondl 等[17–20]自2008 年起報道的系列工作，實現了利用電子束粉末床熔融增材制造方法成形Inconel 718[17]，并分析了熱處理工藝對組織狀態的調控效果[18]；在成形γ″沉淀強化型鎳基高溫合金Inconel 718 的基礎上，他們又對固溶強化型鎳基高溫合金Inconel 600 和γ′沉淀強化型鎳基高溫合金Udimet Alloy 720（UD720）開展了EBPBF 成形實驗，并與鑄造和定向凝固的成形方法進行了比較[19]，不過UD720合金因為粉末粒徑過于細小，存在大量直徑小于1 μm 的粉末，引發了強烈的吹粉現象[20]，最終成形失敗。Murr 團隊[21]于2011 年報道了利用電子束粉末床熔融增材制造方法成形Inconel 625 的研究，值得注意的是，這項研究中使用的粉末粒徑較小，接近于LPBF 技術所使用的粉末粒徑（平均粒徑22 μm），并于之后采用粒徑44～120 μm 的粉末實現 了Inconel 625 點 陣結構的打印[22]。K?rner 團隊[23]深入分析了EBPBF 成形高溫合金時的工藝參數和成形質量的關系，并表征了不同參數下的成形材料微觀組織。通過比較不同的束流功率、偏轉速度和束斑尺寸后，確定了可以獲得完全致密并且表面平整Inconel 718 試樣的EBPBF 工藝參數窗口[24]。

2.2 難焊高溫合金的裂紋抑制

Inconel 718 和Inconel 625 等材料是常見的可焊高溫合金牌號，其應用范圍很廣，但高溫性能仍有局限。為了得到更好的高溫蠕變性能，更多高溫合金成分設計中增加了Ti、Al 等元素，從而促進γ′-Ni3（Ti，Al）強化相的形成。Ti、Al 等元素增加了焊接的難度，同時也提高了對增材制造工藝的要求。LPBF很難實現無裂紋的難焊高溫合金成形[25]，而EBPBF體現了較好的難焊高溫合金加工能力，已經實現了多種不同牌號的難焊高溫合金無裂紋高質量成形。Ramsperger 等[26]實現了不同組織狀態的CM247 的EBPBF 成形。橡樹嶺國家實驗室的研究者基于EBPBF 打印Inconel 738 的試塊的能力[27]，對成形過程進一步優化實現了工業燃氣渦輪發動機的原型葉片制造并用于發動機熱態考核評估[28]。彭徽團隊[29]完成了Ni3Al 基高溫合金IC21 的EBPBF 成形，并指出通過掃描中的跳線方法以及降低掃描速度能夠成功地抑制裂紋的生成。林峰課題組[30-31]先后報道了利用EBPBF 實現無裂紋的難焊高溫合金Inconel 738 和Inconel 939 的成形，并指出了工藝參數與成形缺陷的聯系，通過控制粉末床預熱溫度和掃描策略，清華大學與清研智束公司聯合研發了M247 的EBPBF 工藝方法，完成了無裂紋燃機渦輪葉片EBPBF 成形。

3) 初始矩陣S0。系統OK元素為1時的矩陣。馬爾科夫矩陣每行的數值相加都為1，但是每列相加就不一定為1。該情況是因為馬爾科夫矩陣行的意義為表示系統在在一個固定時間內，與其中元素的取值單位有關，一般計算中每個元素的單位為h-1。由一個狀態向其他狀態轉換或保持自身狀態的概率。

因為EBPBF 成形后的組織狀態可能處于非熱力學平衡狀態，同時沿著成形方向沉積體的溫度情況不同，所以微觀組織在高度方向上不均勻，同時在使用不同的系列工藝參數以及制粉過程帶來的粉末成分的輕微差異會導致組織狀態變化，成形過程中出現的缺陷以及易熱裂材料中的裂紋都會降低試樣的力學性能，工藝過程的分析和優化成為研究的重心。

2.3 工藝特點分析

EBPBF 技術能夠將粉末床的成形幅面加熱到1000 ℃甚至更高，這種高溫狀態能夠有效地抑制成形材料的殘余應力，研究顯示EBPBF 對比激光定向能量沉積工藝制備的材料殘余應力顯著降低[32]。一般而言，增材制造零件表面會因為凝固收縮產生拉應力，這種拉應力對于零件的疲勞性能等有著不利影響，減少增材工藝中殘余應力對于改善性能是有利且必要的[33-34]。對于高溫合金尤其是難焊高溫合金而言，其熱裂紋敏感性是加工過程中的一大障礙，裂紋的形成很大原因是成形過程中液膜的出現與殘余應力的影響，在大角晶界處造成開裂。EBPBF 成形鎳基高溫合金時，可以通過改變工藝參數來調整凝固路線，調控組織狀態形成更耐熱裂紋的細晶結構；同時EBPBF 過程中產生的應變可以被高密度的晶界所容納，從而減少在凝固的最后階段因為成分偏析而形成的液膜[35]。這種抑制裂紋的能力賦予了EBPBF 對于高溫合金加工更強的適應性，隨之而來的工藝區間拓展賦予了單晶體成形的可能性。不過因為成形中始終保持的高溫粉末床狀態使得材料經歷了類似原位熱處理的過程，同時由于高溫合金材料復雜的組織狀態，這種潛在的組織不均勻性依然未能得到解決。一方面，這種不均勻性帶來了EBPBF 成形態高溫合金的后處理必要性；另一方面，如何規避或者利用這種原位熱處理也是一個值得關注的角度。

3 工藝過程與控形控性

3.1 熱歷史與組織均勻性分析

Strondl 等[17]的先驅工作指出了EBPBF 成形方向上的微觀組織不均勻性，這種不均勻性在拉伸性能測試中得到了體現[36]。美國德州農工大學和橡樹嶺國家實驗室的學者們[37]對此進行了深入分析，測量了打印過程中試塊的溫度歷史，并首次將打印過程中的溫度變化與力學性能做出關聯。沿著打印方向，越接近底部的沉積體中δ 相的粗化越為明顯，成形時的溫度歷史影響了強化相的析出規律。Kirka 等[38]分析了EBPBF Inconel718 的微觀結構梯度和對應的拉伸性能梯度。微觀結構梯度可以分為三個不同的區域：頂部由樹枝狀亞晶結構組成，包括枝晶間的碳化物和Laves 相；中間存在著過渡區，其特點是枝晶結構的擴散，Laves 相的溶解，以及枝晶間δ 針狀相的析出；底部的成形塊是由柱狀晶粒結構組成，晶粒內部析出了網狀δ 相。在室溫（20 ℃）和高溫（650 ℃）下，屈服強度、極限抗拉強度和斷裂時的伸長率都呈現出隨著打印高度增加而增加的一般性趨勢。Deng 等[39]定性地討論了打印中凝固條件與“原位熱處理”對微觀組織梯度的影響規律。打印的終末段即試樣頂部，Laves 相在最后幾層中因為偏析產生了不均勻分布的情況，而在試樣的其他部位，Laves 相自上而下逐漸減少，因為試樣底部接受了類似退火的原位熱處理，不過硫化物/氮化物/碳化物等析出物幾乎不受后續熱歷史的影響。

成形材料的均勻性和各向同性始終是增材制造逐層構建過程中關注的重點。Karimi 等[40]分析了單層多道掃描和多層單道掃描中熱循環對成形狀態的影響。Sun 等[41]利用EBPBF 制造了Inconel 718 合金棒，其中試樣軸向與打印方向相差0°、45°、55°和90°，并研究了不同打印方向的微觀結構和高溫拉伸性能，發現傾斜打印的試樣展示出了最佳的力學性能。爐次間的可重復性是打印工藝可靠性的核心要求，然而研究顯示，同一爐次中制備的試樣也可能因為試樣布局位置的差異帶來組織乃至性能上的差異[42]。布局位置帶來的成形誤差以及試樣輪廓質量等因素導致材料在疲勞測試中表現出了更強的分散性?？紤]到反復掃描過程中熔道的疊加，輪廓掃描時重熔較少而填充掃描時重熔較多，EBPBF 成形Inconel 718 時還會出現輪廓區域與填充區域微觀組織的區別[43]。

3.2 工藝參數與晶粒結構調控

EBPBF 技術可以通過工藝參數的精細控制實現不同織構的組織狀態。美國橡樹嶺國家實驗室的研究團隊通過改變填充工藝參數，實現了包括晶粒[001]方向平行或垂直于打印方向以及完全隨機織構的三種不同組織狀態，其中，晶粒[001]方向平行于打印方向的狀態已經達到了以7.5°的工業級單晶標準的組織質量[44]。這為后續的關于EBPBF 單晶制備的相關研究[45]做出了鋪墊。Dehoff等[46]通過改變填充工藝中電子束熱源的狀態（點狀和線狀熱源模式快速變化）以促進穩態和瞬態熱梯度和液/固界面遷移速度，演示了一種精細的區域微觀組織控制方式。EBPBF 工藝中最常用的標準填充策略容易生成典型的柱狀晶結構，而點狀熱源填充方案可以提供更豐富的影響EBPBF 材料織構的能力。利用這種點熱源策略同時改變相關的工藝參數制備Inconel 718 時，材料在凝固成形時可以自由形成柱狀或等軸晶粒結構[47-48]。對比標準的往復線性掃描制造的柱狀晶粒材料的各向異性，使用點狀熱源填充的等軸晶粒材料展示出各向同性的力學行為[48]。Helmer 等[49]對填充間距與掃描方向等工藝參數做出了具體的實驗和仿真分析，并指出打印工藝對組織狀態的影響是通過在凝固過程中改變熱梯度的方向來實現的。如果熱梯度與打印方向保持一致，柱狀晶粒結構就會生長。

Polonsky 等[50]基于實驗表征和熱力學仿真分析了掃描策略對于EBPBF 成形過程中微觀組織演化，闡述了晶粒成核和外延生長二者競爭過程的具體機制。Lee 等[51]針對EBPBF 成形Inconel 718工藝參數細節進行了探索，分析了掃描速度、束流功率、散焦電流（束斑尺寸）對成形態樣品的致密度、微觀組織與力學性能的影響?？刂粕⒔闺娏骺梢愿淖兪鞯膸缀涡螤钸M而改變熔池的形態，這對晶粒的外延生長有直接影響。將散焦電流逐漸擴大后，γ″沉淀物的尺寸逐漸增加。較高的散焦電流帶來的強〈100〉織構的柱狀微觀結構以及與γ″顆粒強烈相互作用而產生的高密度位錯可以顯著提高材料的蠕變性能[52]。

3.3 單晶體直接成形

還有其他研究團隊也進行了單晶成形的探索。南洋理工大學的研究者們開展了EBPBF 工藝對鎳基高溫合金單晶體的試制[60]，由于打印高度的局限性（3 mm），在成形樣品中只能看到柱狀晶的微觀組織，同時在樣品中還出現了大量的裂紋。EBPBF 制備單晶體需要利用晶粒的競爭生長機制[61–63]，打印中會出現一個選晶段，在這個區間中具有優勢取向的晶粒逐漸替代其他晶粒，實現從多晶體到單晶體的轉變?？哲姽こ檀髮W的研究團隊使用國產化設備嘗試了單晶牌號鎳基高溫合金DD407 的EBPBF 成形，探索了裂紋控制和強化相的調控[64]。在進一步的研究中發現，基板的材質與取向對單晶體成形過程有著直接影響[65]。采用〈001〉取向平行于打印方向的單晶體基板，外延生長容易維持從而促進單晶體直接成形，其他取向的單晶體基板帶來了雜晶，限制了單晶體的成形。北京航空航天大學的學者實現了EBPBF 工藝使用René N5 粉末對CMSX-4 單晶體的修復工作[66]。

3.4 熱處理與表面處理

熱處理對高溫合金的性能十分重要，前述的很多研究[18，21，36，67–69]中都提及了對EBPBF 成形態材料進行熱處理后其組織與性能的變化。大部分文獻里使用了工業標準的熱處理方案，也有部分學者對不同牌號的EBPBF 鎳基高溫合金的熱處理方法進行了具體研究。Unocic 等[70]對EBPBF Haynes 282 的熱處理進行了分析評價，比較了一步和兩步熱處理方案，發現熱處理可以調控成形時析出的γ′沉淀物的尺寸和形態，并指出了工藝參數優化和熱處理制度耦合的必要性，以控制晶粒中和晶界處的γ′和碳化物析出物的形成從而提高合金的高溫性能。Goel 等[71]對EBPBF Inconel 718 的熱處理進行了研究，分析了輪廓和填充區域的調控效果差異。填充區域表現出柱狀晶粒，在打印方向上有很強的〈001〉織構，而輪廓區域有柱狀和等軸晶粒的混合，沒有明顯織構。熱等靜壓可以導致填充區和輪廓區的缺陷含量減少近一個數量級。熱等靜壓加熱處理的方案導致了輪廓區的晶粒粗化，但沒有改變填充區的微觀結構。填充區域和輪廓區域的碳化物在熱處理后重新析出并且尺寸形態接近。Li 等[72]研究了EBPBF Inconel 738 的熱等靜壓與熱處理，分析了針對鑄造Inconel 738 所設計的標準熱處理在EBPBF Inconel 738 上的適用性和必要性。成形態晶粒的形狀在熱等靜壓中出現變化，但在固溶熱處理中沒有改變。熱等靜壓工藝促使更多的碳化物析出，而在固溶+時效熱處理中，碳化物從MC 變為M23C6，γ'相從成形態的立方形變為球形。Ramsperger 等[26]對EBPBF M247 進行了熱等靜壓和熱處理研究，采用短時過固溶熱處理即可取得良好的均勻化效果，熱等靜壓加熱處理的方案使得細密的碳化物呈鏈狀均勻分布在晶界處，有助于提高材料抗蠕變能力。

部分學者報道了關于表面質量的后處理研究。Zafer 等[73]研究了利用熱等靜壓調控成形缺陷尤其是表面缺陷的效果，并嘗試了涂層后進行熱等靜壓的方法來改善表面缺陷控制效果。但是因為成形態樣品的粗糙度過大，涂層并不能很好地與表面結合，因此表面缺陷愈合的效果依然不佳。Zhao 等[74]研究了表面缺陷和機加工去除深度對EBPBF Inconel 718 樣品力學性能的影響。與成形態和淺加工（只去除外表面）的樣品相比，深加工（進一步增加切削深度）樣品的屈服強度、極限拉伸應力和延展性都大大提高。

4 EBPBF 鎳基高溫合金的性能分析

4.1 靜態力學性能

EBPBF 成形的各牌號鎳基高溫合金的室溫或高溫下的力學性能已有廣泛報道（見表1 和表2）?？梢钥闯鑫墨I中報道的各種EBPBF 高溫合金的性能具有一定的分散性，因為工藝參數和組織的密切關系，同時結合打印過程中整體的溫度歷史演變與局部微熔池凝固條件差異，EBPBF 高溫合金的組織不均勻性會反映在材料的力學性能中。從打印的不同高度取試樣，其拉伸性能響應并不一致[75]。通過在改變參數制備出的等軸晶或柱狀晶的成形態樣品中分別取橫向和縱向的試樣測試其拉伸響應，材料的彈性模量和強度表現出強烈的各向異性[68]。Sun 等[41]分析了Inconel 718 不同打印方向的力學性能，在〈111〉方向的試棒上獲得了最高的強度。晶體方向的各向異性、柱狀晶粒結構和沉淀相的排列方式等因素帶來了強度對試樣方向的關聯性。Al-Juboori 等[69]研究了EBPBF 718 的拉伸性能發現力學響應隨掃描速度的變化影響很小，因此通過更高的掃描速度可以實現更高的打印率。Gotterbarm 等[76]研究了利用小尺寸試樣作為評估EBPBF 制造部件斷裂行為的有效和實用方法。Gamon 等開展了9 種AM 工藝制備Inconel 625的研究，并評價了材料的硬度[77]。Zhao 等[74]分析了表面質量對于拉伸性能的影響，去除表面缺陷后材料的延展性得到了顯著的改善而且強度也有所增加。隨著技術與工藝的發展，目前材料的性能已經達到甚至超過了鑄、鍛態同類產品的水平，顯示了新型加工方式的優勢。

表1 文獻報道的部分EBPBF 鎳基高溫合金的室溫下靜態力學性能Table 1 Tensile properties of EBPBF nickel-based superalloys at room temperature from literature

表2 文獻報道的部分EBPBF 鎳基高溫合金的高溫下靜態力學性能Table 2 Tensile properties of EBPBF nickel-based superalloys at high temperature from literature

4.2 疲勞與蠕變性能

除了基本的靜態力學性能外，鎳基高溫合金的抗疲勞性能和抗蠕變性能也是服役場景中的關鍵指標。

EBPBF 成形的鎳基高溫合金的疲勞性能具有明顯的與取樣方向和微觀結構的關聯性，雖然垂直打印方向的等軸晶試樣性能不佳，但是沿打印方向取的柱狀晶試樣的低周疲勞性能優于鍛態試樣[68]。當加載軸平行和垂直于柱狀晶粒時，EBPBF Inconel 718 的織構和柱狀晶粒的微觀結構顯示出各向異性的抗保載疲勞裂紋能力。平行于柱狀晶界的加載比垂直于柱狀晶界的加載具有更好的抗停留疲勞開裂能力。當駐留疲勞裂紋路徑到達高角度晶界時，裂紋變為晶間；而裂紋可以通過低角度晶界傳播而不改變其傳播方向。熱處理也會影響EBPBF 單晶鎳基合金試樣的高溫低周疲勞行為，研究發現經熱等靜壓后材料的疲勞壽命明顯高于普通材料的疲勞壽命。熱等靜壓結合固溶熱處理能夠使低周疲勞壽命進一步延長。導致失效的裂紋發生在層間結合的界面上或在凝固過程中產生的微孔上，對于經過HIP 處理的試樣，愈合后的孔隙附近沉淀相是裂紋的主要萌生源[84]。同樣的樣品在超高周疲勞測試中性能遠超通過精密鑄造成形的樣品[85]。不過，其他研究顯示單獨的固溶時效熱處理似乎對EBPBF Inconel718 的疲勞性能改善有限[86]。

Kuo 等表征了LPBF 和EBPBF 制造的Inconel 718 合金試樣的蠕變性能（圖2）并進行了比較研究[87-88]。LPBF 較高的冷卻速率導致了高位錯密度和枝晶間沉淀相，所以蠕變性能較差。而EBPBF 材料具有低位錯密度、均勻分布的δ 沉淀物和明顯的〈001〉織構。直接時效的EBPBF 試樣的蠕變壽命接近1100 h，與傳統的鑄鍛合金在650 ℃時的蠕變壽命相當。晶粒方向平行于應力軸的柱狀材料通常具有優異的蠕變性能，經熱等靜壓（HIP）后處理的EBPBF Inconel 718 的最小蠕變率和蠕變斷裂壽命進一步得到改善。經過適當的沉淀熱處理后，EBPBF 的單晶體鎳基高溫合金能夠超出傳統鑄造材料的蠕變性能[89]。

圖2 Inconel 718 的蠕變測試曲線（EBPBF：電子束粉末床熔融；LPBF：激光粉末床熔融；C&W：鑄鍛）[87]（a）成形態；（b）固溶+時效；（c）直接時效Fig.2 Creep test curves of Inconel 718 (EBPBF：electron beam powder bed fusion,LPBF：laser powder bed fusion,C&W：casting and wrought)[87]（a）as-built(AB)；（b）solid solution+aging(STA)；（c）direct aging(DA)

5 結論與展望

近年來，逐漸豐富的關于EBPBF 高溫合金的研究推動了EBPBF 技術的發展。

（1）在十余年的發展過程中，EBPBF 技術突破了以Inconel 718、Inconel 625 為代表的高溫合金材料與構件的成形瓶頸，并且不斷延伸能力，可以在高真空高溫度低應力狀態下成形高γ′相比例難焊鎳基高溫合金甚至直接制備鎳基高溫合金單晶體，成形材料的性能達到甚至可以超過傳統鑄鍛材料的水平。

（2）EBPBF 技術能夠將粉末床的成形幅面加熱到1000 ℃甚至更高，這種高溫狀態有效地抑制了成形材料的殘余應力，更大的成形窗口賦予了工藝參數調整的空間，通過凝固路線的設計，組織狀態能夠形成更耐熱裂紋的細晶結構，同時真空狀態成形減少了材料氧化，因此對比LPBF 技術在成形裂紋敏感型材料中更具優勢。

（3）在現有的研究中，針對工藝的報道相對豐富，圍繞著致密化、裂紋抑制、組織狀態調整等目標開展了大量工作，關于材料的后處理、性能測試與評估等研究較為有限，需要更多的關注。

航空航天等高復雜度高附加值產業對于增材制造是天然適配的場景，目前領域中涌現的若干重大需求，包括難加工材料（鈦合金、高溫合金、金屬間化合物）的低成本快速制造與修復、復雜結構難加工制件（例如含有內流道冷卻結構的渦輪葉片）的成形方案、新型結構（例如金屬點陣多孔結構）的設計制造一體化方法等，對增材制造技術與工藝的改進與發展提出了迫切需求。

除了工藝實驗研究，考慮粉末從熔化到凝固過程中各種物理現象所建立的仿真分析模型也得到了越來越多的重視。粉末成分設計與質量評估、優化對改善成形工藝過程和材料性能也有重要的意義。

隨著材料與零件的要求不斷提升，對電子束粉床熔融裝備的要求也在增加。開發大型陣列化電子槍設備，增加大型零件的成形能力；設計制造超高壓電子槍系統，改善電子束聚焦狀態，提高成形效率與質量；開發自主可控的工藝控制軟件，提高復雜截面路徑規劃能力、強化復雜加工場景設備穩定性等，將是技術與裝備的主要發展方向

目前EBPBF 成形鎳基高溫合金的可行性與技術特點已經得到了充分展示。在今后的發展中，逐步建立增材制造“設計-材料-工藝-組織-性能”的一體化研究開發框架，提高高溫合金關重部件的“控形控性”能力，增強生產過程的一致性與可靠性，是將技術與產品推向更廣闊應用場景的重點。