近日，国际知名期刊《The Journal of The Minerals, Metals & Materials Society (JOM)》发表了南京工业大学研究团队关于热等静压处理对增材制造K418合金微观结构和力学性能的影响的研究成果，第一作者为南京工业大学张晓璇，通讯作者为微旷科技副总经理李仁庚博士。
该研究利用微旷科技X射线显微CT，三维解析了HIP处理前后增材制造的K418样品内部缺陷的分布的差异，分析了增材制造的K418镍基高温合金的变形机制与断裂机理。为进一步优化后处理工艺和提升合金性能提供实验依据。
论文标题：“Effects of Hot Isostatic Pressing on the Microstructure and Mechanical Properties of K418 Alloys Fabricated by Selective Laser Melting”（热等静压处理对增材制造K418合金微观结构和力学性能的影响）
01 研究摘要
各种缺陷的存在对增材制造零件的机械性能，特别是对增材制造的K418镍基高温合金提出了重大挑战。本研究调查了热等静压（HIP）处理对缺陷分布、微观结构和机械性能的影响，并分析了增材制造的K418合金的变形和断裂机制。结果表明，HIP处理能有效地将K418合金的孔隙率从13.7% 降至 2.1%。经HIP处理后，大部分缺陷被消除，但仍有一定比例的缺陷存在。此外，HIP处理还导致位错密度减小、γ′相粗化、Laves相溶解以及MC碳化物转变为M23C6碳化物。此外，HIP处理提高了增材制造的K418合金的极限抗拉强度，但对断裂伸长率的影响很小。粗化的γ′相减少了位错的平均自由程，从而提高了经HIP处理的样品的加工硬化率，有助于提升抗拉强度。
02 实验材料
本研究使用增材制造工艺制造了一批尺寸为Φ27 mm × 40 mm的圆柱形样品。在增材制造过程中，激光功率为220 W，扫描速度设定为750 mm/s，扫描间距为0.11 mm，粉末厚度为0.03 mm。在每一层之间，扫描方向旋转67°以增加零件的稳定性。样品成型过程在Ar气氛中，氧气水平低于1000 ppm。完成增材制造后，将样品从基板上移除，随后进行HIP处理。为了减少样品内部的残余应力，HIP处理温度为1210°C，压力为126 MPa，保温3小时后进行炉冷。根据处理工艺，样品分别命名为“SLMed”和“SLM HIPed”。
03 实验方法
将SLMed K418样与SLM HIPed K418样品的微观组织和机械性能进行对比，即通过EBSD、SEM研究HIP处理前后样品晶粒形貌、取向、尺寸以及微观形貌的差异，通过CT研究样品内部缺陷的变化、通过透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope, TEM）研究样品中不同析出相的变化，以及通过拉伸实验研究样品机械性能的变化。揭示了HIP处理对增材制造的K418样品的影响机制。
图1 实验取样示意图（单位尺寸为mm）
04 CT表征结果
为了研究HIP处理对增材制造样品中缺陷的闭合效果，选取位于增材制造样品底部的圆棒进行CT扫描。图2展示了SLMed和SLM HIPed样品中缺陷的三维分布情况。为了更直观地表现出HIP处理对各种缺陷的影响，通过Avizo软件对CT扫描的K418样品内部的缺陷进行分类，其中，球形度大于0.6的缺陷被定义为气孔，在2中用红色表示；球形度小于等于0.6，体积小于等于3×104 μm3的缺陷被定义为裂纹，在图2中用蓝色表示；球形度小于等于0.6，体积大于3×104 μm3的缺陷被定义为LOF缺陷，在图2中用灰色表示。由图2a可见，增材制造的样本中存在大量缺陷，包括孔洞、裂纹和LOF缺陷，缺陷的最大体积达到2×107 μm3。经过HIP处理后，缺陷数量显著减少，但并没有完全消除，圆棒样品的孔隙率从13.7%降至2.1%（图2b）。
图2 K418样品中缺陷的三维分布：（a）SLMed样品;（b）SLM HIPed样品
为了定量分析HIP处理对增材制造K418样品中各种缺陷的影响，对SLMed和SLM HIPed样品中不同体积的气孔、裂纹和LOF缺陷相应的数量进行了统计分析。结果如图3所示。
图3 K418样品内不同缺陷的尺寸与数量统计：（a）气孔;（b）裂纹；（c）LOF缺陷
05 文献结论
本研究采用增材制造工艺制造了K418镍基高温合金，并将HIP处理作为后处理工艺，以提高合金的密度并增强其机械性能。研究了HIP处理对缺陷分布、微观结构和力学性能的影响，并得出以下结论：
（1）HIP处理可以将增材制造的K418样品的孔隙率从13.7%降低至2.1%。经过HIP处理后，样品中的大部分缺陷被消除，但仍有一定比例的缺陷残留。残留的LOF缺陷的体积大于气孔和裂纹的体积。
（2）经过HIP处理后，γ′相粗化，Laves相溶解，MC碳化物转化为M23C6碳化物。
（3）HIP处理提高了增材制造的K418合金的抗拉强度，对断裂伸长率的影响较小。降低位错平均自由程会导致较高的加工硬化速率，这是改善样品抗拉强度的主要原因。
原始文献：
Zhang, X., Li, R., Ma,
Y. et al. Effects of Hot Isostatic Pressing on the Microstructure and
Mechanical Properties of K418 Alloys Fabricated by Selective Laser Melting. JOM
(2024). https://doi.org/10.1007/s11837-024-06765-2
原文链接：
https://doi.org/10.1007/s11837-024-06765-2
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