镍基合金锻件 圆棒 应用领域及标准GH3536（GH536）固溶强化型镍基高温合金

GH3536合金是一种主要以铬和钼固溶强化的镍基高温合金（对应牌号为Hastelloy-X），具有良好的抗氧化性和耐腐蚀性能，在900℃仍具有中等的持久和蠕变强度，适用于制造高温服役结构的热端零部件，如尾锥体、涡流排气管和燃烧喷嘴壳体等。然而此类部件形状复杂，内部往往还存在流道或多孔结构，传统工艺多采用多次焊接复合而成，不仅难以保证尺寸精度，还会影响气体流的稳定性，即使通过精锻工艺也难以满足制造业的需求。选区激光熔化成形技术（selective laser melting,SLM）是一种以激光为热源，通过对金属粉末层进行逐点熔化，逐线搭接，逐层凝固堆积的方式来实现高复杂度零件的一体化“近净成形”技术，使得制约GH3536合金件加工的瓶颈问题迎刃而解。但由于SLM成形过程中合金粉末需在特定的极短交互时间内完成熔化、凝固和冷却，局部化热输入造成的温度梯度与凝固过程中产生的较大残余应力会导致合金出现组织缺陷与成分偏析。因此，选区激光熔化成形件通常需进行后热处理来修复合金内部缺陷，调控显微组织的成分、结构并改善合金的力学性能。

实验材料选取
本实验采用气雾化球形GH3536合金粉末作为SLM沉积原料，合金粉末的化学成分如下图所示，符合GB/T14992-2005中GH3536高温合金的成分要求。

实验结果分析

（1）不同热处理态的GH3536合金的室温拉伸性能
对沿不同方向制备的SLM试样、ST试样和HIP试样进行室温拉伸测试，并与工业标准HB 5497-1992进行了对比。3种试样在室温下沿横/纵向的抗拉强度与屈服强度均超过锻件标准的要求，但延伸率各有不同。SLM试样沿横向抗拉强度为769 MPa，比纵向高58 MPa；横向屈服强度为465 MPa，比纵向高44 MPa；纵向延伸率为27.81%，比横向高7.21%；即室温下SLM试样的拉伸性能存在各向异性。，合金的拉伸性能不仅受材料固有特性的影响，还与显微组织结构有关，对于SLM成形的试样则更要考虑到熔池界的影响。SLM试样的微观组织可视为“熔池界-超细柱状亚晶”的交错分布组成。一般来说，晶粒越细小抗拉强度越高，塑性越好。熔池界包围区域内为细长的柱状微晶，均匀分布，保证了SLM试样的高强度和良好的塑性，而空间分布的熔池界则会极大地影响SLM试样的塑性。由于熔池界的结合性能本身弱于晶界，而且熔池搭接区的熔池界还存在局部“粗晶区”，使得熔池界成为试样的性能薄弱区。当SLM试样进行塑性变形时将优先沿熔池界进行滑移。而单位面积内试样在纵向截面的熔池界（长度）数量要远多于横向截面，这意味着当SLM试样沿纵向进行拉伸时，塑性变形更易进行，因此在宏观上表现出更优秀的延伸率，但抗拉强度略低于横向。

ST样沿横向的抗拉强度与屈服强度分别为695和382 MPa，延伸率为31.13%。沿纵向的力学性能与横向基本相同，这与横/纵向显微组织相似的观察结果相一致。熔池界的消除是ST试样拉伸性能各向异性消失的主要原因。固溶处理消除了沉积态试样的气孔和裂纹等缺陷，且高温处理会促进组织中奥氏体数量的增多，导致ST试样的延伸率明显提高，与SLM试样的横向延伸率相比提高了10.53%。但固溶处理会使合金晶粒在高温下发生再结晶与长大，导致其拉伸断裂强度和屈服强度发生明显降低。HIP试样与ST试样的室温拉伸力学行为相类似，但横/纵向的抗拉强度约为728 MPa，屈服强度为429 MPa。虽然抗拉强度较SLM试样的横向抗拉强度低约41MPa，但比其纵向抗拉强度提高了11 MPa。延伸率达到38.65%，比ST试样提升了7.52%，比SLM试样的纵向延伸率提高了38.9%。HIP试样的强度并未像ST试样出现明显的下降，这主要得益于合金内部缺陷的消除与晶界形态的变化。

一方面，热等静压处理后试样的致密度较ST试样更高；另一方面，HIP试样在晶界析出的链状M23C6在变形过程中可有效地阻碍位错运动，从而提高合金的强度。尽管晶界碳化物作为脆性相，在拉伸过程中容易成为裂纹源，但其形成的锯齿状弯曲晶界反而会阻碍裂纹的萌生与扩展。这是因为锯齿状的弯曲晶界凹凸不平，造成相邻晶粒的晶面之间的咬合作用，变形过程中晶界彼此间滑移困难，迫使强度较高的晶内部分参与变形，从而导致晶界上应力松弛，阻碍裂纹的萌生。有研究表明：裂纹在扩展过程中，锯齿状晶界能够促使裂纹与晶界面之间的夹角偏离其初始入射角度，提高裂纹沿界面扩展路径的复杂崎岖程度。这意味着锯齿状的弯曲晶界使得裂纹更加倾向于穿过晶界面而不是沿着晶界面进行扩展，从而对合金起到有效的增韧作用。

（2）不同热处理态的GH3536合金的室温拉伸断口形貌分析

3种试样的断裂机制均为微孔聚集型的韧性断裂，椭圆形的等轴韧窝沿断裂面分布，但韧窝的尺寸与深度均不相同。其中，SLM试样的韧窝结构非常细小，平均直径仅有0.5μm左右，深度较浅。还可以观察到撕裂的熔池界裂纹，且熔池的高斯形状弧面清晰可见，说明裂纹是沿着熔池界处萌生并扩展，这从另一个角度也佐证了熔池界是组织力学性能的薄弱区。横向SLM试样在塑性变形过程中，其局部产生的应力集中会破坏原子相互结合的力量，形成孔隙，这些微孔随着变形的继续而长大并相互连接形成裂纹。少量微小的韧窝存在，说明试样在此处的断裂是源于SLM成形过程中形成的微裂纹的扩展，其在变形过程中参与塑性变形较少，因此造成了SLM试样沿横向较低的延伸率。

ST试样断口处的韧窝尺寸为0.8～1.0μm，且分布均匀，呈现穿晶-韧窝型断裂特征，暗示了合金具有较好的延伸率。经过热等静压处理后，HIP试样断口处的韧窝数量明显增多，尺寸也增大到2μm左右。与SLM试样相比，锯齿状弯曲晶界的存在会促进开动周围基体中滑移系，降低晶界处应力集中，促进塑性变形均匀分布，因此HIP试样表现出了最佳的室温拉伸性能，这与前述的拉伸试验结果相吻合。当拉伸材料塑性较好时，具有不同取向晶粒之间的约束力较大，导致位错同时沿几个相交的滑移面滑移后才能形成，这也从侧面反映了HIP试样具有优秀的塑性变形能力。

结论
（1) 选区激光熔化成形的GH3536合金沉积态试样的显微组织主要由熔池界与超细的柱状亚晶组成。熔池沿沉积方向呈现鱼鳞状分布，明显区别于激光扫描方向的条状分布，内部存在少量气孔与无序微裂纹。

（2）SLM试样分别经固溶处理与热等静压处理后，合金试样的熔池界形貌均已消失。ST较SLM试样致密度提高了3.9%，显微组织由交替分布的大小不等等轴晶粒组成，无第二相析出。HIP试样显微组织与ST试样相类似，致密度达到94.1%。

（3) 3种试样断口均为典型的韧窝型断裂，SLM试样的拉伸性能存在各向异性，这是沉积过程中形成的熔池界在横/纵方向分布不同所致。ST试样抗拉强度和屈服强度均有下降，但延伸率提高至31.13%。抗拉强度和屈服强度下降较少，延伸率达到38.65%，这与HIP过程中形成的弯曲晶界有关。

上海钢泽此次实验参考了诸多学术的理论及知识，希望可以给相关从业者带来一丝灵感。