《Vacuum》：Effect of Y
2O
3 and laser power on cracking inhibition in SLMed Y
2O
3/Mar-M247 alloy
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本研究分别探究了Y?O?与激光功率对SLM制备Mar-M247合金微观组织演变及裂纹抑制的影响，并分析了二者协同效应。结果表明，Y?O?纳米颗粒通过异质形核细化晶粒，促进形成Y?O?/Y?HfO?、Y?O?/W?C等核心-壳层结构，有效阻碍位错运动，降低应力集中，抑制裂纹产生。同时，激光功率调控熔池温度场与凝固速率，优化组织均匀性，协同Y?O?使合金抗拉强度达1239.4 MPa，延伸率6.2%，较基体合金性能显著提升。
李丽宇|陶东|郭春环|刘阳|陈伟|蒋风春
教育部超轻材料与表面技术重点实验室，哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院，哈尔滨，150001，中国
摘要
本研究分别探讨了Y2O3的微观结构演变及其对SLM熔化的Mar-M247合金裂纹抑制的作用，并分析了在不同激光功率下这两种因素的协同效应。激光功率和扫描速度对裂纹的密度和特性起着关键作用：较低的体积能量密度（VED）由于熔化不完全会导致多孔性和夹渣，而过高的VED则会引起关键孔洞和较大的应力裂纹缺陷。本文分析了激光功率对熔池冶金行为以及SLM熔化的Y2O3/Mar-M247合金在快速凝固过程中原位形成的核壳结构演变的影响，这有助于阐明在不同激光功率下不同核壳结构与位错之间的相互作用以及裂纹抑制机制。研究结果表明，Y2O3纳米颗粒通过异质形核有效细化了晶粒，促进了核壳结构（160 W功率下形成Y2O3和Y2Hf2O7核心、180 W功率下形成Y2O3核心、以及210 W功率下形成W2C壳和Y4Al2O9核心）的形成，这些核壳结构能够固定位错、降低应力集中并抑制裂纹。SLM熔化的合金表现出力学各向异性，在构建方向（BD）上的性能更优越：Y2O3/Mar-M247合金的屈服强度为1239.4 ± 6.3 MPa（比Mar-M247高20.0%），伸长率为6.2 ± 0.4%。Y2O3的添加还提高了断裂韧性（更多的撕裂边缘）。本研究表明，Y2O3掺杂和激光功率在改善SLM熔化的Mar-M247合金的微观结构和性能方面具有协同作用，并详细阐述了激光功率对不同核壳结构与位错之间相互作用的影响及其相应的裂纹抑制机制。
引言
Mar-M247是一种含γ′相沉淀物比例高达62%的镍基超合金，由于其优异的力学性能和高温下的良好耐腐蚀性，被广泛用于制造航空航天发动机和燃气轮机的热端部件[1],[2]。选择性激光熔化（SLM）利用高能激光束对金属粉末进行逐层扫描，并通过熔化粉末后快速凝固实现冶金结合[4],[5],[6]。因此，它为制造具有复杂几何形状的镍基超合金部件（如涡轮叶片和盘）提供了一种更简单、更可行的方法[7],[8]。然而，先前的研究指出，由于其有限的打印能力，导致材料沉积质量较差[9],[10],[11]。Carter等人[9]指出，在SLM制造CM247LC过程中出现的参差不齐的裂纹具有树枝状突起，表明这是凝固裂纹。凝固裂纹发生在生长中的树枝晶之间的残余液体不足的区域。当受到凝固收缩作用时，这些不足的液体成为晶间裂纹的起始点[12]。通过降低SLM熔化的Mar-M247的激光功率，可以减少凝固裂纹[13]。无树枝状突起的晶界裂纹和参差不齐的凝固裂纹之间存在明显区别；后者被认为是在固态下形成的。Li等人[14]指出，凹陷和马兰戈尼流动有助于将气泡状的Al2O3+Ta(Hf)O2初级表面偏析氧化物（在柱状晶间生成）转化为线性分布的氧化物，这些氧化物难以重新熔化并残留在样品中，从而导致SLM熔化的CM247LC出现裂纹。
激光能量密度（由激光功率和扫描速度等参数决定）是通过影响熔池内的温度场、凝固行为和元素扩散来定义SLM熔化合金的微观结构和力学性能的关键因素。激光能量密度直接调节温度梯度G（°C/m）和凝固速率R（m/s）[15]，从而影响晶粒的大小和形态[16],[17]。在低能量密度（如低激光功率或高扫描速度）下，熔池尺寸较小，冷却速率极高（105–106 K/s），这倾向于形成细小的胞状晶体或柱状晶粒[18]。当能量密度过高时，熔池加深，而G和R都下降，导致晶粒粗化。Wang等人[19]研究发现，随着扫描速度的增加，晶粒尺寸减小，晶粒长宽比增大，在高能量密度下形成的柱状晶体可以穿透多个成型层。SLM过程中的裂纹现象显著受到激光能量密度的影响。Cloots等人[20]指出，更高的扫描速度可以降低SLM熔化的IN738LC的裂纹密度，这一现象在高斯系列和甜甜圈系列合金中都是一致的。力学性能与晶粒尺寸、织构以及孔隙和裂纹等缺陷有关，这些都由激光工艺参数决定。随着扫描速度的增加，SLM熔化的IN738LC合金的拉伸性能先上升后下降[19]，这与关键孔洞的消除和各种裂纹（凝固裂纹和液化裂纹）的抑制有关。通过调节热循环可以有效抑制MC碳化物的析出[21]，从而由于残余应力的均匀分布和更好的强化效果而提高力学性能。
在SLM过程中，由于显著的温度梯度，柱状晶粒通常垂直于熔池边界生长，从而形成<001>优先取向。XOY平面上的晶粒尺寸更细，位错密度更高[23]。激光能量密度影响的各向异性晶粒形态直接影响了力学性能。与SLM熔化的GH3536合金的平行样品相比，垂直方向的样品屈服强度提高了2.4%，极限抗拉强度提高了4.2%。然而，与平行样品相比，垂直方向的样品伸长率降低了38.1%[24]。
作为异质形核位点，Y2O3纳米颗粒分散在基体中并抑制位错运动[25],[26]。Smith等人[27]在SLM熔化的GRX-810中分散了Y2O3纳米颗粒，由于分散强化作用，强度提高了两倍。Cheng等人[28]研究发现，Y2O3掺杂引起的微观结构细化抑制了裂纹的起始和传播，提高了SLM熔化的Y2O3-掺杂Hastelloy X合金的强度。Li等人[29]报告称，SLM熔化的Y2O3/IN625合金表现出较弱的晶粒织构，但其屈服强度优于IN625样品，这归因于Y2O3纳米颗粒的分散强化作用。此外，Y2O3能够与其他元素反应生成新的含Y氧化物，这些氧化物对阻碍位错运动有显著影响。Guo等人[30]发现，在SLM熔化的Y2O3/IN738LC中分散良好的Y4Al2O9纳米颗粒可以通过减少晶界处的Zr偏析程度来帮助减少裂纹。激光能量密度通过调节熔池的热力学特性，对SLM熔化的镍基超合金的微观结构和力学性能产生显著影响。优化工艺参数可以平衡微观结构的均匀性和高密度，以实现最佳的力学性能。Y2O3的添加通过异质形核、缺陷抑制和分散强化进一步改善了力学性能。然而，关于激光能量密度和Y2O3纳米颗粒改性对微观结构和力学性能演变之间的协同作用的研究仍然有限。还需要研究激光功率对SLM制造过程中Y2O3掺杂非焊接合金中沉淀物的影响。
Li等人[13]探讨了不同Y2O3含量对微观结构和力学性能的影响，并展示了分散的核壳结构在裂纹抑制方面的显著效果。在此基础上，本研究进一步研究了在不同激光功率下SLM熔化的Y2O3/Mar-M247合金的微观结构演变和力学性能，分析了微观结构的变化以及不同核壳结构与位错之间相互作用机制。通过比较沿扫描方向和构建方向的力学性能，并分析断裂情况，揭示了Y2O3掺杂如何在各向异性条件下改善SLM熔化的Y2O3/Mar-M247的力学性能。这项工作对于阐明激光功率和Y2O3添加在改善SLM熔化的非焊接镍基超合金的微观结构和力学性能方面的协同作用具有重要意义，并为非焊接ODS超合金的激光快速原型制作提供了宝贵的指导。
材料与方法
本研究使用了商业化的Y2O3纳米颗粒（粒径范围为80～100 nm）和气雾化Mar-M247超合金粉末（15–53 μm）作为原材料。使用两种仪器对Mar-M247粉末的元素组成（按重量百分比计）进行了表征：Agilent 5110电感耦合等离子体光学发射光谱仪（ICP-OES）用于检测一般元素，LECO-CS844分析仪专门用于测定碳含量。表1详细展示了
VED对裂纹密度和宏观缺陷的影响
在低扫描速度（600 mm/s）下，SLM熔化的Mar-M247合金的密度随着激光功率的增加而增加（图1a），而SLM熔化的Y2O3/Mar-M247合金的密度最初增加，在激光功率为180 W时达到最大密度（图1b），随后随着激光功率的进一步增加而逐渐减小。在扫描速度为700 mm/s时，SLM熔化的Mar-M247合金的密度先增加然后在240 W时减小。随着激光功率的逐渐增加，SLM熔化的Y2
结论
总之，改变激光功率促进了熔池初始凝固阶段不同含Y氧化物的形成，例如Y2Hf2O7、Y4Al2O9和Y2O3。这些氧化物通过在基体中均匀分布并诱导碳化物的沉淀和生长来降低局部应力集中，从而减少了SLM熔化的Mar-M247的裂纹敏感性。本研究系统地研究了Y2O3掺杂和激光功率的协同作用
CRediT作者贡献声明
刘阳：研究、数据整理。陈伟：方法论、研究。蒋风春：监督、资源协调。陶东：写作——审阅与编辑、方法论。郭春环：研究、资金获取。李丽宇：写作——初稿、方法论、概念构思
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
数据可用性
支持本研究结果的数据可根据合理请求向相应作者获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号：52575366）、黑龙江省重点研发计划（编号：2024ZXDXB01）、中央高校基本产品创新研究项目（编号：3072025LJ2701）以及中南研究院（广州）有限公司SIMR在TEM工作方面的支持。
