成型方向对LPBF 3D打印镍基合金IN738LC蠕变性能的影响

|3DScienceValley· 2023/10/25

谷专栏

以下文章来源于结构完整性联盟，作者Sandra Megahed

激光粉末床熔融（LPBF）是增材制造（AM）技术中的一种，具有设计自由度高、成型速度快等优点，并且能够得到致密度高、常温性能优异的构件，因此，近些年被广泛运用于镍基合金、不锈钢以及钛合金中。但是，由于增材制造成型微观结构的不均匀性，3D打印构件通常具有明显的各向异性，阻碍了构件在工程上的大范围应用。

目前主要对于LPBF 3D打印材料的研究集中于对常温下的力学性能方面的研究，但考虑到镍基合金在燃气工业中的应用，3D打印材料的高温性能评估也是必要的，而蠕变作为高温下最常见的失效形式之一，针对3D打印材料蠕变性能方面研究的试验及分析是必不可少的。

因此，德国达姆施塔特技术大学的研究团队在’ Influence of build orientation on the creep behavior of IN738LC manufactured with laser powder bed fusion’一文中对3D打印材料在高温蠕变试验中各向异性行为进行充分测试和分析，以提高3D打印材料应用时的可靠性。本期谷.专栏将简要分享该科研成果。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921509323006214

图文简析

图：a) 0°，45°和90°方向的3D打印IN738LC 试样;b) 与支撑结构脱层的45°3D打印试样

本文使用LPBF技术3D打印得到了致密度为99.98%的三个不同取样方向的蠕变试样，与3D打印方向分别成0°，45°和90°，并在750 ℃，350 MPa和850 ℃，200 MPa下进行了蠕变试验，得到了相应的蠕变曲线（图1）。在两个试验条件下，取向90°的试样均具有最大的断裂应变和蠕变寿命，表明本文中的3D打印材料最好的蠕变性能的取向为平行3D打印的方向。此外，观察到取向45°的试样蠕变寿命最短，取向0°的试样断裂应变最小。

图1 试样的取样方式以及相应的蠕变曲线

本文绘制了850 ℃下的Norton幂律曲线图，通过计算不同取向蠕变试样的指数n值发现，在该温度和150-240 MPa区间内的蠕变均是由位错蠕变机制主导。利用EBSD测量拉伸方向截面的平均晶粒尺寸，并结合曲线中得到的最小蠕变速率，发现晶粒尺寸和最小蠕变速率成反比。45°的晶粒尺寸最小，所以蠕变速率最大，这也可能是取向为45°的试样蠕变寿命最短的原因。（图2）

图2 （a）850 ℃时的Norton幂律关系曲线，（b）晶粒尺寸和最小蠕变速率的关系

从图3可以看到取向0°的试样蠕变后的晶粒取向主要是<111>，<001>（750 ℃）和<111>，<101>（850 ℃），而<111>和<101>取向会导致较差的蠕变性能，这也是取向0°的试样的断裂应变最小的原因。

图3 蠕变试样断口处的反极图

图4 扫描电镜下0°、45°和90°取样的试样中的碳化物分布

图5 850 ℃蠕变试验后断口附近的局部取向

另外，通过扫描电镜（SEM）表征发现取向0°和90°的试样中具有更多的晶间碳化物（图4），而碳化物会钉扎阻碍晶界滑移，从而导致更小的蠕变速率。此外，通过EBSD中的KAM分布图（图5）发现，蠕变变形主要集中在碳化物附近，且取向90°试样的变形分布更均匀。

论文引文信息（GB/T 7714 格式）：

Megahed S, Krämer K M, Heinze C, et al. Influence of build orientation on the creep behavior of IN738LC manufactured with laser powder bed fusion[J]. Materials Science and Engineering: A, 2023: 145197.