增材制造中的蠕变外文翻译资料

 2022-06-27 22:36:28

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4.6 增材制造中的蠕变

与疲劳类似，增材制造和常规加工零件的蠕变性能之间的差异是由于二者存在的缺陷和微观结构特征的区别。然而，由于蠕变试验的复杂性，包括潜在的热处理、应用的应力和试验温度的范围，以及缺乏可用的研究文献，因此目前还没有得出大致的趋势来说明增材制造的金属的蠕变行为。

郭等人[567]发现在沉积（270小时）、固溶处理、老化（100小时）和直接老化（550小时）的金属直接激光烧结处理的IN718的破裂寿命方面有明显的差异。所有提及的IN 718条件都远低于718（1200 h）锻造的断裂寿命。加成制造的Inconel 718的不同时间的断裂分别归因于各种条件下不同的微观结构，即d-沉淀物的分布和形态。d沉淀物在固溶处理和老化条件下为针状，作为损伤累积和蠕变寿命降低的成核位点，而在直接老化条件下，d沉淀物保持圆形颗粒。

然而，目前已发现由PBF-L制造并随后热处理的IN 718的蠕变性能要优于常规铸造和锻造的IN 718 [568,569]。这种性能的改善是基于以下事实：与常规加工的IN 718相比，在增材制造的材料中形成更高量的均匀分散的细c00和c0沉淀物。在增材制造中形成的沉淀抑制了d相的形成。在IN718中发现，当d相在晶界处的相分数小于45％时，蠕变机制是由于楔形裂纹和空隙的形成来造成的，而高于该百分比的空隙生长和晶界滑移是蠕变的主要机制[570]。此外，在PBF-L工艺中形成0.50-0.65微米的亚晶粒，这也会改善蠕变响应[568]。增材制造IN 718中铸造或锻造的抗蠕变性能的提高与初始建立方向无关[569]。

研究发现通过PBF-L制造的另一种沉淀强化的镍基高温合金IN 738LC的蠕变是各向异性的[571,572]。在横向取向制造的具有与构建方向对齐的细长晶粒的样品表现出与铸造材料的下限类似[571]，而纵向取向的样品明显较差。合金的各向异性归因于细柱状晶粒中的强结构造成的各向异性弹性特性[572]。 PBF-L材料与其铸造相比，蠕变行为较差主要是由于细晶粒，以及前者中c0沉淀物尺寸、形态和位置的变化。

孙等人对通过PBF-EB制造的Co-28Cr-6Mo-0.23C-0.17N（CCM）合金进行了研究。 [573]。该CCM合金由亚稳状态下的亚稳态c-fcc（柱状形态）和稳定的e-hcp（等轴形态）相组成。在蠕变测试之前应将材料转变成完全e-hcp以避免测试过程中发生转变。蠕变评估一般在650-800℃的温度范围和240-330MPa的应力范围内进行。 增材制造材料的蠕变曲线呈现蠕变行为的所有典型阶段，并且样品的断裂发生在较细晶粒的区域中。在PBF-EB过程中，由于构建室保持在高温（700℃），基板附近的晶粒长大发生于靠近顶部的晶粒。结果发现，部件的竣工底部部分中的电子晶粒大于后处理相变的热处理产生的电子晶粒。研究表明，晶界滑移的蠕变机理促进了晶界空洞的萌生和扩展。因此，细晶粒对抗蠕变性是不利的。因此他们提出了一种复制PBF-EB工艺热过程的两步热处理方法，作为在整个构造中扩大晶粒尺寸并避免细化区域失效的一种方法。

4.7.讨论

直接比较由增材制造的部件的微观结构和机械性能是非常具有挑战性的，因为这种制造技术涉及许多变量。 例如，如果样品使用相同的粉末床熔合系统制造，则零件的热历史以及结构和性质将随激光功率、激光扫描速度、层高、舱口间距和激光点尺寸而变化。 即使这些参数在构建之间保持一致，热历史也会受到激光扫描策略的影响，这在商业系统中通常不会受到用户的支配。 扫描策略取决于组件在基板上的位置，还取决于在同一个粉末床融合构建中构建的其他组件。

另外，该领域缺乏用于比较研究之间差别的机械测试方法的标准。因此，即使处理参数在研究或报告中保持不变，部件内的热历史仍将取决于部件的几何形状以及提取测试样品的几何形状。这意味着当从一组基板附近的平板试样中提取样品，而另一组从竖直壁提取样品时，这些组件中的热历史、微观结构和机械特性会有所不同。最后，提取的试样的尺寸和形状可能是导致机械性能的不同关键因素，因为在增材制造的材料中，晶粒尺寸变化很大，使得它们有时可以与试样尺寸相同。因此，必须考虑和说明相对于样品尺寸的相对颗粒尺寸。为了全面科学地了解增材制造中的加工、微观结构和力学性能关系，今后的研究标注工艺参数和增材制造几何形状以及在报告机械性能时标注提取样品的几何形状势在必行。理想情况下，热历史也将被监测并报告，从而将加工过程与组织结构定量地联系起来。

5.增材制造及特殊材料

增材制造具有广泛的应用，可以制造复杂的部件，如珠宝，牙冠和带有贵金属（如金，银，钯和铂）的电子连接器。增材制造还具有独特的特征来生产难以使用常规方法加工的高熔点难熔合金的组分。 如今，基于粉末的增材制造方法也被用于制造具有不同组成的产品以获得更好的结构和性能。 这一节主要描述了这些难熔合金、贵金属和成分梯度合金的增材制造。

5.1. 耐火合金

难熔金属合金如钨，钽，铌，钼，钒，铬和铼是熔点最高的金属，具有BCC或HCP晶体结构。这些金属和合金具有独特的性能和应用，包括高温强度，生物相容性，低热膨胀，超导性，高密度，并可用于高辐射环境下的结构应用。难熔金属在高温下具有反应性，并且在不受大气污染保护的情况下，会失去延展性。这些合金通常使用PBF-EB在真空中焊接。用这些合金制造结构复杂的开发工作可以追溯到20世纪60年代，这些合金适用于航空航天和核工业的极端环境[574]。更广泛地应用这些材料的局限性包括其成本高，商业形态的供应有限，以及使用传统金属工艺技术制造困难。因此，增材制造是一种扩大这些材料的使用的候选技术，因为它可以减少对常规加工步骤的需求，增加商业形态并显著减少使用的昂贵材料。利用计算机的模型和控制将激光粉末熔融成复杂形状的早期工作证明了该技术在难熔金属构件方面的应用的潜力[575,576]。由于这项工作的成果，之后的技术改进集中在高纯度的球形金属粉末的开发上，这种粉末更适合于有关添加剂的应用[577]。

钨合金在高温下具有低热膨胀性和高强度，并且已经应用​​于熔炉应用和高热通量部件。由于其高密度，它已被应用于辐射屏蔽，能量束准直和平衡重应用。尽管常规处理通常依赖于高温烧结，但增材制造中的高纯度环境能够形成复杂的形状。粘合剂喷射增材制造技术也可用于形成复杂的钨形状。钨在环境温度下表现出脆性，限制了传统加工方法的使用。熔化和凝固会导致大的颗粒异质性，进一步导致其脆性行为。一项研究曾使用掺有2.5％TiC的钨粉末的PBF-L处理进行，并在钨基体中产生了Ti和C的固溶体，以试图改善沉积材料中的晶粒生长。虽然在沉积材料中观察到微裂纹，但该报告提供了用于实现润湿的PBF-L工艺参数选择的重要细节，并防止了导致散装材料沉积的球化缺陷[578]。实验还研究了氧化物污染和钨PBF-L加工固化的作用，以提高密度[579]。

钽，熔点2996°C，是一种韧性难熔金属，具有生物相容性和耐化学性。钽一般用于医疗应用，如脚手架和涂料，也适用于高温隔热屏和炉膛应用。钽可以应用在钛衬底上，使用LENS工艺[580]来制造用于骨植入物的多孔表面。它也被研究用作CoCr合金的多孔涂层[581]。在另一项研究中，使用PBF-L工艺沉积钽以确定沉积物的微观结构和晶体学结构，作为使用扫描图案的0°旋转（层间不旋转）产生的批量样品中的扫描策略的函数，60°和构建层之间的90°旋转。所有矿床几乎完全密集（99.6％）。 0°旋转样品的特点是在h1 1 1i晶体方向取向的大柱状晶粒，优先沿着模型预测的热流的生长方向和方向取向。通过SEM和EBSD检查确定，层之间的旋转显示增加了竞争性增长。相对于构建方向和平面沉积过程的三个方向的压缩测试有助于屈服强度的各向异性。粉末尺寸从13到26毫米，并没有给出PBF-L参数[313]。在另一项研究[582]中，纯钽的PBF-L被证明能够制造具有150mm支柱尺寸和500mm孔径的十二面体晶格的高度多孔（80％开放结构）钽植入物。将10-25mm尺寸范围的球形粉末融合成形，用于机械测试和植入大鼠。机械测试显示性能接近人骨。骨再生和向内生长性能在12周后表现出强大的功能性种植体骨界面。此外，细胞毒性测试显示按照ISO-10993-5的非细胞毒性，PBF-L具有钽细胞相容性。

铌的熔点为2495°C，它的超导转变温度7.5 K在所有元素中是最高的，因此，它是线性加速器超导射频（SRF）腔的材料选择。采用传统的深冲压和EB焊接制造时，在成型、不一致的颗粒构成或杂质的提取方面存在困难，还会导致非均匀的洛伦兹力，造成机械变形，降低性能。

进行可行性研究以调查纯铌的PBF-EB沉积的微观结构[583]。 对两种尺寸的球形粉末，130mm粉末和43mm和86mm尺寸的双模式混合物进行参数研究。 加热和冷却循环在720°C的构建板温度和580°C的翘曲温度之间（粉末层扩展以防止团聚），需要对参数空间进行重大探索。 对于每个粉末批次生产可接受的沉积物，其中双峰粉末没有显示可观察的孔隙度，并且130mm的粉末显示出一些可观察到的孔隙度。 使用SEM，XRD和TEM的详细分析显示与退火Nb片相比，长方柱状晶粒沿着构造方向延伸且具有高位错密度。 这些结果表明使用PBF-EB沉积纯Nb的可行性。

进一步的研究利用复杂的自由形态设计研究了下一代SRF腔体的制造和表征。采用PBF-EB建立了高纯度Nb SRF结构并分析沉积物[584]，展示了具有不同壁厚和外部晶格支撑结构的设计。通过改变光束聚焦电流，行进速度和电子束电流来执行参数研究以优化沉积密度。该报告描述了室内清洁和使用残余气体监测来表征加工环境中的纯度。此外，报告还介绍了高纯度铌的化学成分，其特点是沿着从铸锭到拉丝，粉末雾化到成品部件的工艺链上的每一点。这种材料表征鉴定了整个工艺链中的组分杂质元素拾取，同时确认了EBM 增材制造处理环境的纯度。参数研究的结果显示，在元素压力或污染物吸收可忽略的环境中达到99.7％的相对密度。通过沿着制造方向（Z轴）取向的细长柱状晶粒和作为平面沉积的函数的硬度指示各向异性的相应变化，所制造的微结构显示优选的取向和纹理证据。预计观察到的韧性断裂基于延伸百分比和面积减小的测量值。发现机械性能与反应堆级铌一致。这些结果与将PBF-EB应用于这些应用中使用的所有Nb和高导电率材料有关。

钼具有2620℃的熔点，并且是用于高温应用的潜在材料，例如使用PBF-L方法的聚变反应堆实验的内壁[585]。 尽管钼合金如TZM（Ti-Zr-Mo）可以使用电子束工艺和严格的工艺条件进行焊接，但与W一样，Mo由于其脆性和裂纹敏感性而难以焊接。 PBF-L参数研究[585]是通过改变激光功率，层厚度和扫描轨道重叠条件来进行的，以确定沉积物的熔化程度和密度。 在氮气气氛中，没有预制阶段或粉末床的预热条件和200W的最大激光功率有助于限制熔化，变色，高度孔隙度，以及在某些情况下开裂和变形[586]。

5.2.贵金属

贵金属合金如金、银、铂和钯由于其光泽、价值、耐腐蚀性和易加工性而在珠宝中得到广泛应用[ 574 ]。由于导电性[ 587 ]和正畸冠，它们也用于电子和电接触，而且钯比铂更便宜。

2014年，黄金首饰在世界黄金协会的全球黄金市场交易量预计将达到100亿美元。在贵金属的初步研究中[588]对PBF-L参数进行优化以避免表面缺陷，获得光滑的表面并获得含Si，Ge和Ga的金合金的完全致密的沉积物，开发了实用的设计方案，例如支撑结构。

后续研究[589]确定了红金（Au，Si，Ge）和铂（95％Pt，Co）合金的尺寸精度和结构强度。 Si和Ge的半导体元素被添加到红金中以增加激光耦合，以平滑表面并降低孔隙率，而几乎纯的铂容易与激光辐射耦合，粉末形态呈球形，粒径范围为1-53mm。由PBF-L沉积的沉积金合金比熔模铸造合金更硬更脆，但可以通过炉退火使延展性提高34％。与铸造的Pt合金晶粒尺寸为300mm相比，沉积的PBF-LPt合金具有更小的30mm的晶粒尺寸。将PBF-L Pt样品在920℃退火25分钟使延展性增加16％。为沉积和退火的Au和Pt合金样品制备拉伸试样，结果列于表19。

表19

增材制造的贵金属部件的极限拉伸强度和伸长率

钯，铑，钌，铱提供高温耐化学涂层。 尽管使用DED-L将铱沉积成自由形态结构[575]，但大多数应用都与难熔金属组分的涂层有关。 在半导体工业使用的方法中，使用亚微米分辨率光掩模的光致抗蚀剂图案，钯和铑可以通过孔逐层沉积为微米级的自由形状。 与PBF-L不锈钢沉积物[590]相比，该工艺能够制造具有微米级分辨率的毫米级部件。

5.3. 成分梯度合金

功能梯度材料（FGMs）是一类化学或结构随位置而变化的材料。 当使用增材制造时，主要制造方法是使用粉末的DED技术（即激光直接能量沉积增材制造技术）。在增材制造制作的组成渐变FGM中，制作了突变[591,593-597]和平滑[598-604]渐变。在平滑梯度切割的FGM中，组成以多层分级，一般增加3vol％[598,599,602]，而在突变梯度切割的FGM中，组分通过单一界面直接从一种合金/元素变为另一种，类似于在不同组分的熔焊中的情况。

在FGM中可以看到不同的趋势，其中两种基础合金的晶体结构相同或不同。在FGM中，从一种元素或合金变成具有相同晶体结构的另一种元素或合金，已经发现硬度遵循从第一组成元素/合金的硬度到最后[601-604]的混合物的规则。从304L SS到Invar 36的FGM中有一个例外，两者都有FCC晶体结构[599]。在该FGM中，由于在梯度区域中形成较软的第二相，所以硬度低于组成合金的硬度。为了避免可能导致开裂的脆性金属间相，硬度降低被有目的地设计到梯度路径中。在金属或具有不同晶体

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