Alloy22激光粉床熔接及后处理.

江苏省激光同盟前言：

本科学研究对Alloy 22激光粉床溶接的激光输出功率和扫描仪速率完成了提升，以生产制造具备更大相对密度的零件。

引言

将镍基高溫合金（Alloy 22）粉末做雾化，作为激光粉末床熔化（L-PBF）加工工艺中的原材料。在此项探究中，激光输出功率和扫描仪速率完成了提升，以生产制造具备更大相对密度的零件。输出功率为150 W、扫描仪速率为200 mm/s的样品密度更大，为99.6%。除此之外，为了更好地提升生产效率，样品的效率为225 W，扫描仪速率为1200 mm / s。增材的零件根据开展热处理回火热处理工艺，热等静压（HIP）和HIP 热处理回火热处理工艺开展后处理工艺。HIP合理地解决了打印出样品中的大部分缺点，但在HIP解决样品中留意到富钼的极细沉淀。热处理回火热处理工艺造成彻底重结晶，富钼的第二相完全融解到Ni栽培基质中。时效处理对提升HIPPED样品可塑性的功效明显。以150W和200 mm/s的速率生产制造的样品，随后通过HIP和时效处理，表明出与煅造合金22类似的物理性能。

1.引言

合金22，通称哈氏合金C22，是一种镍基高溫合金，具备良好的高溫物理性能，抗应力松弛，抗腐蚀和空气氧化。这是由于Cr（22wt%），Mo（13wt%）和W（3wt%）的高成绩有利于Ni的γ-FCC看中的固溶强化。合金22通常以家具板材，板材，杂带，棒料和电缆的方式用以有机化学生产加工，有机化学废弃物焚烧处理，航天航空和发电量涡轮发动机及其核废料处理器皿。与别的镍基高溫合金（如铬镍铁合金625）对比，合金22在高溫（烧开）酸自然环境下具备良好的耐蚀性。合金22板在常温下煅造标准下的抗拉强度（YS），極限抗拉强度（UTS）和延伸率各自为407 MPa，800 MPa和57%。合金22的高耐蚀性是因为产生了一层薄的钝化空气氧化膜，进一步维护了更底层合金。

合金22是一种高成本费高溫合金，与一般碳素钢对比，因为其冷作硬化趋向，其钻削工艺性能和可成形性比较有限，可是，它有着优异的可锻性。因而，根据将合金22覆盖在碳素钢上堆积合金22的小块特性，将合金22的出色表面维护特性与碳素钢的容积特性紧密结合是有效的。依据Mulligan等人的观点，合金276（一种成分与22合金类似的镍基高溫合金）的磁控溅射堆积，随后在600-800°C下淬火，因为产生含有Cr-Mo的沉淀，造成强度提升15-40%。Wang等分析了激光涂层合金22与化学物质Q235碳素钢（ISO630）中间的页面。更高一些的激光扫描仪速率造成绝缘层和页面处的晶体规格更小，并产生硬Mo6镍6C沉积在绝缘层中。

c276合金涂层在800°C空气中淬火后的横截面电子光学显微图表明(a)努普硬度标准压印和(b)钢沿试件边沿的高溫空气氧化。

图中(a)是4140钢基材上C276涂层的典型性横截面电子光学显微图。这张独特的显微照片来自于一个在800°C淬火后再加温制冷的标本采集。在相图的γ α地区，亚共析钢淬火后，根据金相打磨抛光和2% Nital饱和溶液浸蚀钢基材产生了预估的先过共析钢金相组织(轻)和铁素体(暗)的混和。基材与C276涂层中间的页面较为锐利，沒有互相蔓延的征兆。测出的涂层薄厚为12.2±0.4 μm，与标准薄厚12 μm有不错的一致性。表面相对性光洁，均值更高值相对高度差为0.47 μm，相匹配的方均根表面表面粗糙度为0.17 μm。

显微图还表明了一个非常典型的努普硬度标准压印，它刻意坐落于涂层表面和页面中间，是在样品淬火和打磨抛光后，在Nital蚀刻加工以前开展的。该缩近表明的特点变长埃及金字塔样子，拷贝努普缩近。图(b)为同一试件的边沿。深灰色比照说明在淬火全过程中钢的右边沿产生了氧化皮。比较之下，遮盖C276涂层的钢的顶表面沒有展现出一切衰退征兆，表明涂层在维护更底层基材免遭高溫空气氧化层面的实效性。

激光粉末床结合（L-PBF）是具体的粉末床结合（PBF）技术性之一，可以制造出高像素的近净形繁杂几何图形零件。由于L-PBF的优点，扩张原材料的可靠性是可用的。依据Poorganji等人的观点，增材（AM）合金的研发是根据其主要用途中认可的取得成功合金（非AM方式）。与此同时，工业生产合金优质的电焊焊接性造成AM合金在分别的合金大家族中发展更具有市场前景的結果。因而，合金22有较大发展潜力变成L-PBF加工工艺的合金，并为工业生产运用产生大量机遇。

据创作者孰知，现阶段都还没有关L-PBF生产制造22合金的发布数据信息，可是，与22合金成份类似的Inconel 625和Hastelloy X的L-PBF早已被普遍科学研究过。Biamino等消息了哈氏合金在L-PBF全过程中的高裂痕敏感度，亚微米渗碳体的产生和富钼渗碳体，这也是因为L-PBF全过程的高制冷速度和非均衡特点。在Biamino等人的探讨中，哈氏合金X的碳成分为0.05 wt%。合金22的碳含量仅为0.004 wt%，渗碳体的产生概率较小。但依据先人对激光熔覆22合金的科学研究，L-PBF腔内的氮氛围很有可能会推动富mo氮化合物的产生。Criales等人汇报了加工工艺主要参数对L-PBF生产制造的Inconel 625的密度、熔合规格和样式的危害。激光输出功率各自为169、182和195 W，扫描仪速率各自为752、800和875 mm/s，间距间隔各自为0.09、0.10和0.11 mm，层厚分别为20μm。

相对性零件相对密度做到体积密度的95.23–99.01%。Lass等人们在Inconel 625的L-PBF中运用了195 W的激光输出功率、800 mm/s的检测速率、20μm的层厚和100μm的黑影间隔，并汇报了因为显微镜缩松在完工样品的枝晶间地区沉积δ相（Ni3Nb）。因而，提议开展均衡化热处理工艺，以防止有危害δ相的产生。因为合金22和Inconel 625中间的化学成分类似，在L-PBF生产制造的合金22零件中可以预估相近的宏观构造。不同点取决于，合金22带有3%的W，但没有Nb，而Inconel 625带有3%的Nb，但没有W。因而，在L-PBF生产制造的合金22零件中，可以有效地预估富钼或富W的沉积（以渗碳体、氮化合物或碳氮化物的方式）而不是Inconel 625中的δ相。

本分析的目地是对哈氏合金22的L-PBF加工工艺技术参数开展基本科学研究，并评定热处理工艺对外部经济构造和性能的功效。在哈氏合金X的L-PBF中留意到的孔隙率和裂缝等重要缺点及其生产制造Inconel 625的L-PBF的各种各样物理性能规定对L-PBF生产制造的合金22开展热处理工艺。因而，本探讨将讨论热等静压（HIP）、时效处理（ST）和组成HIP ST等L-PBF后处理工艺对外部经济构造和物理性能的功效。HIP可有效的清除完工的哈氏合金X中的微裂痕和非互联孔隙度，ST设计方案用以有危害相的塑性变形和融解，以提升Inconel 625中的耐蚀性。

2. 试验

粉末原材料

稀有气体(氩气瓶)做雾化球型合金22粉末，负相关粒度D50 = 37.50±0.2 μ m，由Oryx Advanced Materials新加坡加工厂给予。合金22粉末的成分由生产商测量，见表1，粉末的外貌如下图1(a)所显示。图1(b)表明了应用Malvern剖析颗粒物分析仪器(Mastersizer 3000)对汽体做雾化粉末开展的粒度分析剖析。依据ASTM B212-13(霍尔元件蒸汽流量计布氏漏斗)和ASTM B527-15各自测量堆积密度(ADH)和tap相对密度(TD)。粉末的流通性是用斯威特纳比(TD/ADH)**测量的，金属材料粉末流动性速度的规范测试标准根据ASTM B213-13(霍尔元件蒸汽流量计布氏漏斗)。

表1 合金22粉末的成分。

图1 (a)新加坡Oryx Advanced Materials企业供应的合金22粉末的SEM外部经济外貌图，(b)激光透射得到的合金22粉末的粒度分析条形图。

2.2 L-PBF加工工艺主要参数

应用ORLAS Creator L-PBF设备和环形手涂系统软件，及其如下图2(a)所显示的250 W Yb: YAG金属激光器来制作零件。L-PBF房间内的空气为商业服务纯氮(纯净度为99.9%)。根据持续吹净纯氢气，密封性的L-PBF室的氧水准一直保持在100ppm。激光束直徑为40μm，层厚为25μm。各层中间，扫描仪运动轨迹偏位45°，扫描仪途径中间的培育室内空间为40μm。表2汇总了用以生产制造零件的L-PBF加工工艺主要参数。制取了2组试件，对其显微镜结构和物理性能实现了详尽的表现。制做10 mm× 10 mm的圆柱型试件(D×H)用以外部经济构造科学研究，制做94 mm× 10 mm× 8 mm的方形棒料(L×W×H)用以拉伸实验，各自长为2(b)和图2(c)所显示。激光输出功率为150w，扫描仪速率为200mm /s的样品记作AM1，激光输出功率为225w，扫描仪速率为1200mm /s的样品记作AM4。

表2 L-PBF加工工艺自变量与线形功率密度(LED)值密切相关的输出功率和速率。

图2 (a)在ORLAS L-PBF腔内，1:储粉器，2:复涂叶面，3:工程建筑板，4:溢出器皿，(b)用以外部经济构造探讨的圆柱型试件，(c)方形棒料。

2.3. L-PBF后处理工艺

在L-PBF全过程以后，样品在1200°C空气中饱和溶液解决(ST) 1钟头，水淬。除此之外，一些包装印刷（AP）样品被送到Oryx Advanced Materials（马来西亚槟城），在1163°C溫度、120 MPa工作压力下开展3小時的HIP循环系统，随后在炉中制冷。HIP后，，一些样品在1200°C的空气中开展ST解决1钟头，随后水淬。全部时效处理均在箱式炉（Carbolite Greo RHF1400）中开展。在挨近样品表面的溶炉中安裝一个K型热电偶，做为二次热电阻精准检测溫度。值得一提的是，HIP和ST并没对于合金22开展设计和提升，反而是使用了论文参考文献。总体来说，这儿共调研了8种状况，如表3所显示。

表3共8种标准下的L-PBF生产制造和后生产的合金22件。

在800°C淬火的C276涂层上，根据EDS**测量Ni、Cr和Mo浓度值，顺着平行面于涂层横截面核心的6 μm长的线。

图中表明了EDS线扫描仪研究的結果，这也是为了能得到比俄歇剖析更高一些的定量分析成份精密度，但在较低的空间分辨率。图上表明了在C276涂层正中间沿平行面于基材表面的6 μm长的线500点处**测量到的Ni、Cr和Mo的浓度值，该涂层在800°C淬火，随后应用对焦电子束制取横截面样品。**测量的Fe, Co，和W浓度值沒有体现出明显的起伏超过噪音水准，沒有制作。全部三个**测量原素，Ni, Cr和Mo，在图中所显示的6 μm内表明出非常大的室内空间起伏。例如，Ni的浓度值在50%到67%中间。而**测量噪音水准，由相邻点的抗压强度转变明确，仅有2%。**测量的Ni:Cr比例在更少1.7到较大4.5中间起伏，而Ni:Mo在3.2到10.5中间起伏。为了更好地开展一级横着长短限度剖析，大家添加Cr和Mo浓度值，并明确Ni:(Cr Mo)参考值，该比值从极小值1.2到更高值3.0左右起伏。将Ni:(Cr Mo)≤1.5或≥2.5的地区各自界定为贫Ni区和富Ni区。图上用鲜红色斜线表明贫Ni地区，相匹配于Ni:(Cr Mo) = 1.5的地区界限部位。一样，灰黑色垂线表明富镍区。

2．4． 相对密度，相剖析和宏观构造表现

相对密度是依据阿基米德的方式**测量的。密度是增材样品的相对密度与商业形变合金22样品的相对密度之比(做为相对密度为的参照样品)。应用电子显微镜(蔡司，Axiotron)对外部经济构造和孔隙度开展基本查验。样品制取按规范金相程序流程进行(用180 - 1200度的打磨砂纸打磨抛光，随后用20 μ m的三氧化二铝混液打磨抛光至抛光处理)。打磨抛光AP样品用Kalling’s No. 2 (5 g CuCl2在100 ml HCl和100 ml CH3CH2OH中)电蚀刻。溶液处理后的样品在10 V的直流电压下用50 ml HCl + 50 ml草酸10 wt%的电解质溶液电蚀5-10 s。

EBSD图像显示已建成、HT1、HT2、HT3、HT4状态沿建筑方向的颗粒错向分布;(l) LABG、HAGB和TGB在两个方向上不同条件下的晶粒错向频率三维柱状图。

上图显示了晶界取向偏移的频率和分布。HAGBs θ?>?10°和LAGBs， θ?≤?10°分别在EBSD图中以黑白线表示(图a-e)。tgb (θ?=?60°)用黄色突出显示(图f-j)。图中还显示了在建和热处理条件下晶粒取向错分布频率的图表。

在建态(图a和f)表现出非常高的lagb分数，这是由于快速凝固引起的一系列位错产生的亚结构。LPBF镍基高温合金文献中报道了lagb的存在。这些结构可以阻碍位错的运动，解释建造状态的高拉伸强度。HT1(图b和g)和HT2(图c和h)条件显示了与建成状态相似的部分lagb。此外，值得注意的是，980?°C的热暴露导致了少量tgb的形成，表明了初始的再结晶。另一方面，HT3(图d和i)和HT4(图e和j)条件下发生了更显著的再结晶，降低了LAGBs组分，形成hagb和tgb。lagb、hagb和tgb的频率曲线图如图l所示。

合金22粉末和L-PBF制造的样品的相鉴别是通过x射线衍射分析(Bruker AXS D8 Discover)在40 kV的Cu Kα辐射下进行的，步长为0.05°，2θ范围为40°到100°。利用FEI量子600f扫描电子显微镜(SEM)，配备背散射电子探测器，电子色散x射线能谱(EDS)元素能谱并绘图。为了评价样品的结构和晶粒形貌，对L-PBF制备的1000μm × 1000μm、1μm步长样品进行了电子背散射衍射(EBSD)分析。用50 nm金刚石悬浮液振动抛光EBSD样品8 h。

2．5． 机械测试

采用显微硬度计(Leco, LM-248AT)，在500 g载荷下加载10 s，测定试样的显微硬度。根据ASTM E92标准，在垂直于建筑方向的表面上任意做10个压痕，结果作为10点的平均显微硬度值报告。矩形棒如图2(c)所示，使用线材电火花加工(EDM)根据图3所示的ASTM E8进行加工。结果中报告了三次拉伸试验的平均值。拉伸试验在Instron 5969上进行，室温下恒定位移速率为2 mm/min。

图3 拉伸试样经电火花线切割加工，符合ASTM E8标准(每次试验3条电火花加工)。

已建成试件和热处理试件拉应力-应变图代表图:(a)沿建筑方向(z轴);(b)垂直于建筑方向(xy平面);(c) LPBF IN625预制状态和热处理状态拉伸试样所记录的YS、UTS和御柱沿z轴和xy平面的曲线图。

上图a和图b显示了IN625预制试样和热处理试样沿两个不同方向的拉伸性能。与沿z轴的预制试样相比，沿xy平面的预制试样显示出更高的屈服强度(YS)和极限拉伸强度(UTS)，但塑性较低。同样，这种趋势在HT1和HT2状态下仍然可以明显观察到。这些条件下机械性能的各向异性来自于纹理(正如先前EBSD图所指出的)。而在高温处理(HT3和HT4)中，机械性能的各向异性被再结晶机制所消除。与其他条件相比，已建成和应力解除试件的YS和UTS更高，延性更低(图c)。在HT1条件下，枝晶结构的部分溶解降低了抗拉强度，而各种析出相的形成提高了抗拉强度。这两种相反的效果的结合产生了沿着xy平面建造的样品的拉伸强度的轻微降低，而沿着z轴建造的样品则非常类似于建造状态。这可能是由于各向异性的微观组织导致两种方向的晶界强化不同所致。

HT2试样的抗拉强度降低与延性的增加相关，相对于建成状态和HT1状态。这来自于几乎完全溶解的树突结构。HT3和HT4试件的延性更高，抗拉强度(YS和UTS)更低。这是由再结晶和晶粒长大引起的，包括等轴晶的形成，以及随着hagb和tgb的增加而抑制lagb。此外，tgb形成了新的晶体取向，这有助于降低沿不同取向的机械各向异性。

SEM图像显示了(a)建成状态，(b) HT1， (c) HT2， (d) HT3和(e) HT4的断口。报告的图像与沿着z轴构建的样本有关。

对沿z轴制造的组件的竣工和热处理样品进行拉伸试验后的试样断裂面分析。竣工状态和HT1状态主要表现为韧性断裂模式，存在细韧窝以及少量脆性断裂面（图a和b）。这些脆性区域可能由枝晶间区域内的偏析元素以及HT1状态的δ相引起。对于HT2状态（图c），材料显示出大部分韧性断裂，与之前的条件相比，只有很少观察到的脆性面。脆性断裂可能由晶界弱化导致的晶间碳化物引起。相反，HT3和HT4状态主要表现为韧性断裂模式，在拉伸试验期间，由于变形下孔隙的聚结，产生了大的微孔隙，分别如图d和图e所示。

来源：Laser powder bed fusion and post processing of alloy 22，AdditiveManufacturing，doi.org/10.1016/j.addma.2021.

参考文献：N. Ebrahimi, P. Jakupi, A. Korinek, I. Barker, D.E. Moser, D.W. Shoesmith

Sigma and random grain boundaries and theireffect on the corrosion of the Ni-Cr-Mo alloy 22，J. Electrochem.Soc., 163 (2016), pp. C232-C239, 10.1149/2.jes