激光粉末床熔融原位形成氧化物弥散强化NiCrFeY合金的组织和力学性能研究
氧化物弥散强化（ODS）高温合金因具有优异的高温力学性能和良好的抗辐射能力而被广泛应用于航空飞行器耐热结构件和核反应堆抗辐射部件。由于航空飞行器和核反应设施中个性化复杂零件的应用日益增长，催生了对增材制造ODS高温合金零件的应用需求，所以ODS高温合金零件逐渐开始使用激光粉末床熔融（Laser powder bed fusion, LPBF）制备。ODS高温合金原料通常由纳米氧化物和预合金粉末机械混合而成，在混粉过程中不可避免地造成纳米氧化物粒子的团聚。并且，氧化物粒子与基体之间的晶格参数和弹性模量失配，往往导致粒子与基体界面结合较差而形成缺陷。
中南大学陈超副教授团队联合中山大学黄洪涛副教授团队，在相关研究中使用激光粉末床熔融技术在特定氧含量的腔体中成形钇掺杂的NiCrFe合金，在成形合金中原位生成了大小均匀且弥散分布的Y2O3粒子，研究了LPBF成形NiCrFeY合金的显微组织演变，表征了Y2O3颗粒的形貌、分布和晶体结构，验证了合金的室温及高温力学性能。为增材制造原位形成氧化物弥散强化的合金提供了新思路。
本期谷.专栏将分享这项研究中的创新点。
研究团队针对增材制造过程中原位形成氧化物弥散强化的NiCrFeY合金的研究论文发表在Advanced Powder Materials期刊。
创新点
图1 增材制造成形NiCrFeY合金的组织及性能
1. 验证了钇掺杂的镍基合金在增材制造过程中原位形成了均匀弥散分布的Y2O3纳米颗粒。
通过TEM证实了YY2O32O3粒子在基体中的原位形成，Y2O3粒子主要分布于胞状组织的边界并钉扎了大量的位错，平均尺寸约为50 nm。
图2 TEM定性确定了NiCrFeY合金内原位形成的Y2O3粒子
图3 LPBF成形ODS NiCrFeY合金内原位形成Y2O3粒子的示意图
2. LPBF原位成形的ODS镍基合金具有优异的高温力学性能。
由于合金中高密度位错和小角度晶界以及纳米Y2O3粒子的共同作用，使LPBF成形的NiCrFeY合金在室温下的抗拉强度为815 MPa，在600 °C下的抗拉强度为563 MPa，在800 °C下的抗拉强度为256 MPa。
图4 LPBF成形ODS NiCrFeY合金的工程应力-应变曲线
结论
LPBF成形NiCrFeY合金的致密度在17.4-66.7 J/mm3激光能量密度区间时随能量密度的增加而增加，在66.7-222.2 J/mm3随能量密度的增加而降低，在66.7 J/mm3能量密度时获得最高致密度为99.6%。能量密度输入不足时，导致粉末未充分熔融而容易形成未熔缺陷，能量密度过高时，由于熔池剧烈扰动使得卷入的气体未及时溢出基体而增加了合金中的气孔缺陷。
LPBF成形的NiCrFeY合金内晶粒为近等轴状，沿沉积方向被拉长，晶粒内部存在大量胞状组织和高密度位错，小角度晶界占比为66%。NiCrFeY合金内的钇元素在SLM过程中原位生成了Y2O3粒子，粒子位于胞状组织边界，平均尺寸约为50 nm，体积分数占0.53%。
Y2O3粒子和高密度位错以及小角度晶界的共同作用使合金具有优异的力学性能，室温抗拉强度为815 MPa，延伸率为16.7%，在600 °C和800 °C下抗拉强度分别为563 MPa和256 MPa。
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