麻省理工-通过SLM原位形成纳米碳化物和硅化物强化In718合金

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近日，麻省理工学院核科学与工程系，材料科学与工程系和伊斯坦布尔技术大学冶金与材料工程系的研究人员报道了用激光粉末床熔合(LPBF)增材制造镍高温合金金属基复合材料。采用高速球磨法制备了含纳米陶瓷的复合粉体，并对SiC+Inconel 718合金粉末进行了处理，在Inconel718颗粒表面形成了均匀的SiC装饰。对打印样品研究表明在激光熔化7过程中，SiC溶解，导致原位形成Nb和Ti基硅化物和碳化物纳米颗粒。这些原位形成的纳米颗粒使增材制造的Inconel718具有更理想的凝固微观组织结构，具有更少的打印缺陷(裂纹和孔隙)和略微细化的晶粒尺寸。力学性能表明，与未添加SiC的样品相比，复合材料的硬度、屈服强度和极限抗拉强度分别提高了16%和12%。经过热处理后，相同的复合材料试样的极限抗拉强度比相同处理的未增强材料高10%，而总伸长率保持在14%左右。这种原位沉淀形成为增强增材制造的高温材料提供了一种简单有效的方法，可以用于日益恶劣的能源和推进应用环境。相关研究发表在增材制造顶刊《Additive manufacturing》，论文通讯作者为麻省理工学院材料科学与工程系李巨教授。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221486042300091X

Inconel718是一类通过时效处理沉淀硬化的γ双素体(γ”)Ni-Cr高温合金，由于其优异的高温蠕变和抗疲劳性能以及优异的抗氧化性能，是极端条件下应用的主要材料。然而，随着技术的进步，在这些应用中进一步提高性能将需要在更高的温度和应力下运行，从而超越当前高温合金的极限。近年来，提高镍基高温合金性能其中一种技术是陶瓷增强，制备出金属基复合材料。通过将陶瓷纤维或颗粒加入到镍基合金基体中，可以定制晶粒尺寸和形态，增强晶界，在某些情况下，还可以改善高温力学性能。因此这项研究探究了使用激光粉末床熔融（L-PBF）制备添加SiC纳米增强的In718复合材料。SiC是一种很有前途的金属基复合材料添加相，因为它在高温下具有优异的硬度和强度，以及良好的抗氧化性和耐热性。这项研究采用高速共混后球磨法制备了2%的SiC纳米线增强In718以下简称（In718+SiC）复合粉体。使用商用3D打印机(EOSM290)通过激光粉末床熔融制备了非增强In718和In718+SiC复合材料的体块试样。研究结果表明这项工作通过扩大增强材料库和引入一种新的复合材料，特别是实现热处理后拉伸强度和延展性的最佳组合，对目前镍基复合材料的研究产生了积极的影响。更重要的是，这项工作为增强激光增材制造合金提供了一种新的直接和可扩展的途径，通过原位化学反应生产增强碳化物和硅化物，预计将有很大的潜力扩展到新的金属基复合材料和应用于寻求改进高温结构部件的行业。

图1 球磨后获得了In718+SiC粉末的SEM图像和EDX元素分析

图2 (a) TEM 图像；(b) 复合EDX元素分析和 (c-g)从球磨后单个SiC+In718颗粒的横截面获得的单个元素EDX

图3 (a) 经过和不经过热处理的In718和In718+SiC的XRD 分析，以及 (b-k) 从经过热处理的In718+SiC样品获得的STEM图像和相应的EDX元素分析，揭示了In718基体中的沉淀物

图4 微观组织SEM图像：(a, c) 直接打印的In718；(b, d)热处理态的In718, (e, g) 直接打印的In718+SiC；(f, h) 热处理态的In718+SiC

图5 EBSD分析：(a) 打印态In718 ；(b)热处理的In718；(c)打印态In718+SiC；(d)热处理态In718+SiC

图6 In718 和 In718+SiC 打印态和热处理条件下的晶粒尺寸分布和取向角分布图

图7 从以下位置获得的STEM图像和相应的EDX元素分析：(a-l)打印的In718+SiC 和 (m-w) 热处理的In718+SiC

图8 打印和热处理的 In718 和 In718+SiC室温拉伸应力-应变曲线

总之，这项研究制备了一种SiC纳米线增强的新型In718金属基复合材料。基于LPBF制备的样品的截面分析，SiC纳米线的溶解导致(Nb,Ti)基硅化物和碳化物的原位形成。虽然纳米线的几何形状最初被认为是理想的，因为它在打印后的大表面积有预期的强化作用，但理论上认为，纳米线的溶解过程与新形成的纳米颗粒的晶粒钉住效应相结合，对晶粒几何形状和缺陷的预防有积极的贡献。与未增强的In718相比，增强In718的打印微观结构也减少了缺陷，平均晶粒尺寸更小。

基于硬度和拉伸测试数据得出打印过程中原位形成的硅化物和碳化物及其相关的显微组织变化对In718材料有显著的强化作用。与未增强材料相比，SiC增强In718的屈服强度和抗拉强度分别提高了16%和12%。采用标准热处理工艺对打印试样进行热处理后，增强和未增强试样的屈服强度几乎相同。此外，经SiC增强的金属基复合材料的应变硬化显著增强，抗拉强度提高了10%，同时保持了均匀的延展性，总拉伸伸长率保持了~14%。这些结果表明，这种增强方法作为一种通用的、可扩展的方法，在核反应堆或高温燃气轮机等极端环境中提高In718材料的负载能力和整体寿命，前景广阔。作者还表明了原位反应在激光增材制造过程中形成增强颗粒的价值，并且相信在不久的将来，将该方法扩展到更直接的Si和C微合金化以及新的复合材料组合中会有很大的优点。

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