《Materials Science and Engineering: A》：Micron TaC particle addition efficiently eliminating the strong texture of nickel-based superalloys fabricated by laser powder bed fusion
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激光粉末床融合制备的镍基超合金GTD222通过添加5 wt.%微米级TaC颗粒，有效实现了柱状晶向近等轴晶的转型，平均晶粒尺寸从67.8 μm降至36.8 μm，显著消除强织构并提升屈服强度30%。机理包括：TaC颗粒作为异质形核点抑制 epitaxial growth，其与Ni基体界面半共格晶格关系促进形核；熔融TaC释放的Ta元素稳定γ'强化相并提高高温性能。
双高|蒋莉|王志强|丁阳|叶明豪|姜一夫|崔璐青|卢国新
上海工程技术大学材料科学与工程学院，中国上海201620
摘要
在激光粉末床熔融（LPBF）制造的镍基超级合金中，沿生长方向粗化的柱状晶粒是典型的微观结构，这会导致强度降低并影响机械性能的各向同性。本研究通过添加微米级TaC颗粒，有效地细化了LPBF GTD222镍基超级合金的晶粒。添加5 wt.%的TaC颗粒有助于将柱状晶粒转变为近似等轴晶粒，从而有效消除了强烈的晶粒取向。这归因于TaC颗粒作为有效的晶核剂分布在熔池底部。此外，Ni基体与TaC颗粒之间的界面具有半共格的晶体学关系。部分熔化的TaC颗粒释放的Ta元素促进了增强相γ′的析出。添加微米级TaC颗粒后，屈服强度提高了30%。同时，详细讨论了相应的微观结构控制机制和强化机制。
引言
由于激光粉末床熔融（LPBF）具有高设计灵活性、高尺寸精度、短交货时间和低材料浪费等优点，这种金属增材制造技术近年来在航空航天、医疗和汽车领域得到了广泛应用[1]、[2]。它适用于制造具有复杂几何形状的各种金属材料，尤其是那些难以通过传统制造工艺（如铸造和锻造）加工的金属[3]、[4]。一些镍基合金由于其高强度和较差的加工性而难以加工[5]、[6]。已有大量文献表明，镍基合金及其镍基复合材料（NMC）零件可以通过LPBF工艺制造[7]、[8]。然而，由于LPBF过程中热量单向散发，不可避免地会产生由粗化柱状晶粒组成的强烈晶粒取向。这种取向难以通过优化工艺参数和扫描策略来消除，从而导致机械性能的显著各向异性。因此，调整微观结构和改善机械性能一直是该领域的研究热点。目前，最有效的方法是添加高强度和高熔点的陶瓷颗粒，这些颗粒可以作为异质晶核点，抑制晶粒的外延生长并促进等轴晶粒的形成。
用于增强LPBF镍基合金的陶瓷颗粒包括氧化物[9]、[10]、氮化物[11]、碳化物[12]、[13]和硼化物[14]。例如，郭等人[15]将Y2O3纳米颗粒添加到LPBF IN738镍基合金中，有效消除了晶界（GBs）处的Zr元素偏聚，减少了LPBF过程中的裂纹形成。然而，由于Y4Al2O9导致的冷却速率较低，Y2O3的添加反而使晶粒变粗，且晶粒取向并未消除。洪等人[16]将TiC颗粒添加到LPBF IN625镍基合金中，显著细化了晶粒。尽管如此，沿生长方向延伸的柱状晶粒的优选取向仍然存在一定程度。张等人[17]使用原位合成方法制备了LPBF制造的TiC/GTD222 NMCs，在室温和高温下均获得了更高的屈服强度。然而，原位合成方法无法消除晶粒取向。众所周知，LPBF过程中熔融金属的凝固顺序是从熔池底部到顶部[18]，而晶粒的外延生长源于先前金属层的部分重熔晶粒，这些晶粒起到了晶粒定向生长的预晶核作用[19]。消除先前金属层晶粒的预晶核作用是解决晶粒外延生长的关键。建议将作为异质晶核点的陶瓷颗粒控制在先前金属层的顶部表面，也就是熔池的底部。如果陶瓷颗粒的密度略大于镍基体的密度，它们会因重力更容易沉降到熔池底部。这表明高密度的陶瓷颗粒可能是有效的异质晶核剂，能够有效消除晶粒的优先生长。
WC（15.63 g/cm3）[20]和TaC（14.48 g/cm3）[21]是两种相对密度较大的陶瓷颗粒，它们与镍基体的润湿性良好。例如，荣和史等人[22]、[23]成功制备了LPBF制造的WC/IN738镍基复合材料，获得了更高的硬度和更好的耐磨性能。然而，他们没有研究添加WC颗粒对晶粒优先生长的影响。因此，关于高密度陶瓷颗粒用于调整LPBF镍基合金微观结构机制的研究尚未充分展开。添加WC颗粒会在WC颗粒和IN718合金之间形成W(Cr, Fe)C3（M = Ni, Cr, Fe）的梯度界面层[22]。当合金长时间处于高温条件下时，(W, M)C3碳化物的热稳定性可能不如WC和TaC颗粒。对于作为工业关键热端组件的镍基合金而言，微观结构和性能的热稳定性非常重要[24]。为了提高热稳定性，本文采用了添加TaC颗粒的方法。TaC碳化物的热稳定性高于WC和(W, M)C3碳化物。先前的研究已经证实，TaC的熔点（3880 °C）远高于WC（2787 °C）[21]、[25]。此外，在LPBF过程中部分TaC颗粒熔化时，会有一些Ta元素释放到基体中。在我们之前的研究[26]中，证实Ta元素有助于在长期热暴露下稳定γ′增强相和次级碳化物。同时，添加Ta元素还可以显著提高镍基合金的抗氧化性[27]。因此，添加TaC颗粒被认为比WC颗粒更有利于提高微观结构和性能的热稳定性。本文研究了添加5 wt.%微米级TaC颗粒对LPBF制造的GTD222镍基合金微观结构和机械性能的影响，得到了TaC/GTD222 NMC。同时，揭示了相应的微观结构控制机制和强化机制。
部分内容
粉末原料和样品制备
表1列出了通过气体雾化法制备的GTD222合金粉末的化学成分，其粒径范围为15至50 μm，使用光学发射光谱仪（Oxford Instruments—PMI-Master Smart）测定。GTD222合金粉末的形态为球形，如图1a所示，也发现了一些卫星粉末和不规则粉末。微观结构观察
图5显示了LPBF GTD222合金和采用相同LPBF工艺制备的TaC/GTD222 NMC的X-Z平面上的熔池形态。从图5a和b可以看出，两个样品的熔池紧密堆积，且未观察到裂纹缺陷。这表明所选的LPBF工艺参数能够获得具有良好冶金结合性的高质量LPBF GTD222合金样品。然而，由于气体沉降，观察到少量小尺寸的球形孔隙。结论
本研究研究了通过LPBF制备的微米级TaC颗粒增强GTD222镍基超级合金的微观结构、机械性能、强化机制和断裂机制，主要结论如下：
(1)添加5 wt.%的TaC颗粒后，柱状晶粒转变为近似等轴晶粒，平均晶粒尺寸从67.8 μm减小到36.8 μm。因此，LPBF GTD222镍基超级合金中的强烈晶粒取向得到了有效消除
作者贡献声明
丁阳：研究。王志强：撰写——审稿与编辑，方法学。蒋莉：撰写——初稿，研究。卢国新：撰写——审稿与编辑，概念化。崔璐青：撰写——审稿与编辑。姜一夫：概念化。叶明豪：研究。双高：撰写——初稿，方法学，研究，概念化
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
