关于经过后处理后通过激光粉末床熔融工艺制备的低钴GH3230超级合金的微观结构演变及高温力学性能的研究

《Materials Science and Engineering: A》：Study on microstructure evolution and high-temperature mechanical properties of low cobalt GH3230 superalloy fabricated by laser powder bed fusion after post-treatment

激光粉末床融合制备的低钴GH3230合金经热等静压和固溶处理后，在850℃/78MPa下 creep寿命达800小时以上，强度（359MPa）和延伸率（86%）与常规高钴合金相当。

　　

曾银香|邵文鹏|张新文|何洪云|何蓓|王华明|贾莉

北京航空航天大学大型金属部件增材制造国家工程实验室，中国北京 100191

摘要

GH3230合金是一种固溶强化的镍基超级合金，由于其优异的高温强度和耐腐蚀性，在核电领域有着重要的应用。然而，考虑到使用条件和成本的限制，通过激光粉末床熔融（LPBF）技术制备了一种低钴版本的GH3230超级合金（钴含量降至0.034 wt.%），以减少中子辐照下长寿命放射性同位素Co60的形成。采用热等静压（HIP）和固溶处理（ST）等后处理工艺，减轻了LPBF过程产生的内在缺陷并提升了机械性能。结果表明，后处理有效消除了熔池形态，并促进了M₆C碳化物的形成。该合金在850 °C/78 MPa下的蠕变寿命超过800小时，同时在850 °C时的抗拉强度约为359 MPa，伸长率约为86%，与传统高钴合金相当（差异在±5%以内）。这项工作展示了通过LPBF工艺开发高性能、低活化核部件的可行性。

引言

镍基超级合金具有优异的高温强度、良好的抗氧化性和抗蠕变性，可在600°C以上的高温环境中长期使用[1],[2]。它广泛应用于燃气轮机发动机、核电工业和石化设备等领域。其中，GH3230超级合金（Haynes 230/UNS N06230）作为一种通过固溶强化的镍基合金，避免了在高温或强中子流作用下γ'或γ''相溶解导致的机械性能不稳定问题[3]，有望成为重要核电设备中中间热交换器的理想材料。

然而，热部件的结构变得越来越复杂，传统的铸造和锻造工艺难以满足这些要求。激光粉末床熔融（LPBF）技术利用高能激光束逐层熔化金属粉末，制成的零件只需简单加工即可满足产品要求。该技术具有成型约束少、精度高、材料利用率高和表面粗糙度低等优点。已实现零件的近净成形[4],[5]，并广泛应用于复杂形状和内部有空腔的零件制造。

关于LPBF处理的GH3230合金的研究主要集中在三个关键方面：工艺优化、合金成分设计和后处理。在工艺优化方面，刘[6]、李[7]和刘[8]的研究通过优化工艺参数成功制备了裂纹较少的致密LPBF GH3230部件，从而获得了更好的打印质量。在成分设计方面，夏[9]、赵[10]和曹[11]的研究表明，成分调整不仅可以提高可加工性，还能显著改善机械性能。在后处理方面，吴等人[12]报告称，直接热处理（1200 °C下退火2小时后再水淬）通过抑制碳化物粗化和微观结构变化，有效平衡了强度和延展性。袁等人[13]研究了热等静压（HIP）和HIP+固溶处理（ST）的组合效果，HIP + 1250 °C/30 min ST条件获得了优异的强度-延展性协同效应。同样，席等人[14]通过不同温度的固溶处理调整了碳化物特性和整体微观结构，其中样品在1280°C下的综合机械性能得到提升。

由于LPBF处理的GH3230合金具有高温服役潜力，其高温性能受到了广泛关注。赵等人[15]通过在Haynes 230合金中添加锆（Zr）合金化策略，开发出了无裂纹的LPBF Haynes 230AM合金，其高温性能显著提升。秦等人[16]研究了900°C下的高温拉伸行为，所有试样均以典型的延性断裂模式失效，断裂表面有凹陷和空洞。断裂机制归因于空洞的形核和随后的聚合，这一过程受到晶界软化、晶粒粗化和高温下基体与碳化物界面弱化的促进，最终导致强度下降。此外，王等人[17]分析了870°C下的拉伸性能，量化了沉淀、固溶、位错和晶粒细化等多种强化机制对屈服强度的贡献，结果表明固溶强化是最主要的强化机制，贡献超过50%，最大贡献为175.6 MPa。

众所周知，钴（Co）通过降低堆垛故障能来增强超级合金的性能，从而提高强度、延长蠕变寿命并改善高温性能。然而，钴同位素在中子辐照下会活化生成长寿命的Co60，这对核电站的维护和退役带来了严重的放射性问题。因此，先进核系统中对钴含量有严格限制。同时，钴是一种高价值和战略性的稀有金属。在综合考虑成本和战略因素的基础上，开发低钴镍基超级合金也成为趋势。朱等人[18]使用JMatPro模拟和差示扫描量热法研究了低钴镍基超级合金的相沉淀行为，结果表明该合金的耐久性优于现有的商用镍基多晶铸造合金。基于Ni-Cr-W体系开发低钴/无钴固溶强化合金是一种成熟的技术方法。Tawancy等人[19]开发了一种适用于高温应用的锻制镍基超级合金，该合金同时具有固溶强化和碳化物强化作用，几乎不含钴，并能在长时间高温作用下抵抗有害金属间化合物的形成。鉴于降低长期活化风险和成本的双重目标，本研究聚焦于GH3230超级合金的低钴变体，将其钴含量从标准GH3230的0.5 - 5.0 wt.%大幅降至0.034 wt.%，以满足严格的低活化要求。通过热等静压（HIP）和固溶处理（ST）的组合后处理工艺优化了合金的微观结构，消除了缺陷并调整了微观组织。在775 °C和850 °C下对其蠕变和高温拉伸性能进行了评估，旨在评估该材料作为核电系统关键部件的低活化、高性能候选材料的可行性。

材料与工艺

本研究使用了商业气雾化低钴GH3230超级合金粉末，其成分通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）确定，如表1所示。原始粉末的形态和尺寸见图1(a-b)，颗粒呈球形，直径为7.94-105.30 μm（D10 = 17.60 μm，D50 = 34.78 μm，D90 = 57.41 μm）。LPBF工艺使用FS200-A5激光粉末床打印机完成。

微观结构表征与相分析

分析了打印态（AP）、热等静压态（HIP）和热等静压+固溶处理态（HIP+ST）样品的微观结构变化，结果分别显示在图2和图3中。样品的相对密度和定量孔隙率列于表2和表3中。AP样品存在一定的裂纹和孔隙，以及鱼鳞状的熔池、外延生长的柱状晶体和少量等轴晶体。

相分析

结合镍基超级合金数据库，使用JMat Pro热力学软件计算了相变温度和相组成变化。计算结果显示，如图16所示，随着温度的降低，M₆C的含量先增加后逐渐减少。具体而言，M₆C在1342.42°C开始沉淀，在890°C达到最大值，随后逐渐减少直至完全转变。

结论

本研究系统地研究了LPBF制备的低钴GH3230超级合金在后处理后的微观结构-性能关系，重点关注其在775 °C和850 °C下的蠕变和高温拉伸性能。主要结论如下：

• (1)
  热等静压（HIP）后进行固溶处理（ST）能够协同解决缺陷（孔隙、裂纹）并优化碳化物分布：HIP封闭了空洞并促进了M₆C的形成

作者贡献声明

王华明：监督、资金获取。何蓓：可视化、项目管理。贾莉：撰写-审稿与编辑、监督、资源管理、方法论、数据分析、概念化。邵文鹏：实验研究、数据管理。曾银香：撰写-初稿撰写、可视化、方法论、实验研究、数据分析、概念化。何洪云：可视化、数据管理。张新文：可视化、方法论、实验研究

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

数据获取

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

作者感谢北京航空航天大学分析测试中心在项目期间的技术支持和帮助。