第一作者：任晨宇，陳凱，梁靜靜
通訊作者：陳凱，梁靜靜，李金國
通訊單位：西安交通大學(xué)金屬材料強度全國重點實驗室，中國科學(xué)院金屬研究所
DOI: 10.1016/j.jmst.2024.03.048
01 全文速覽
作者利用增材制造技術(shù)制備出具有單晶結(jié)構(gòu)的鎳基高溫合金樣品，研究其磨損性能并與傳統(tǒng)鑄造方法制備的同牌號單晶合金樣品進行了對比。結(jié)果顯示增材制造樣品具有更加優(yōu)異的耐磨性能，摩擦系數(shù)相比傳統(tǒng)鑄造合金降低了約20%，磨損率相比傳統(tǒng)鑄造樣品降低74.7%。
通過對磨損組織的詳細表征與比對研究，發(fā)現(xiàn)增材制造單晶合金優(yōu)異耐磨性能來源于其更加細小的γ?強化相和更高的位錯密度所帶來的高硬度。該工作為增材制造技術(shù)在榫頭修復(fù)與提性延壽領(lǐng)域的應(yīng)用提供了實驗基礎(chǔ)與理論支撐。
02 背景介紹
鎳基高溫合金憑借優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于飛機發(fā)動機渦輪葉片的制備。然而，由于服役環(huán)境嚴苛，位于葉片與渦輪葉盤連接處的榫頭易在接觸位置發(fā)生磨損，影響葉片服役壽命。據(jù)統(tǒng)計，由榫頭磨損導(dǎo)致的發(fā)動機失效占航空發(fā)動機失效的17%。如果將榫頭磨損的葉片全部進行替換，將帶來嚴重的材料浪費與經(jīng)濟負擔；因此，發(fā)展渦輪葉片榫頭的修復(fù)技術(shù)以恢復(fù)甚至提高其耐磨性能具有重大的經(jīng)濟價值和工程意義。近年來發(fā)展起來的增材制造技術(shù)在單晶葉片的制造與修復(fù)領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景，利用增材制造方法制備的金屬材料，其強度和韌性能夠匹配甚至優(yōu)于傳統(tǒng)鑄造材料。然而，對于增材制造的單晶鎳基高溫合金，其耐磨性能相較于傳統(tǒng)鑄造合金到底孰優(yōu)孰劣，目前仍存在較大爭議，而且很少有文獻關(guān)注增材制造單晶鎳基高溫合金在摩擦磨損過程中微觀組織結(jié)構(gòu)的演化和塑性變形的機理。
03 本文亮點
針對單晶鎳基高溫合金榫頭磨損帶來的巨大損耗，提出并驗證了增材制造技術(shù)對受損榫頭修復(fù)的可行性，證明了增材制造單晶合金相比于傳統(tǒng)鑄造樣單晶合金具有更優(yōu)異的耐磨性能。結(jié)合多種先進表征手段，研究了其磨損過程中的組織形貌、晶體取向、元素與缺陷分布、原子排布等變化，證明其優(yōu)異的耐磨性能來源于增材制造單晶合金所具有的更高的硬度、更高的位錯密度和細化的γ?強化相。
04 圖文解析
本研究采用激光定向能量沉積技術(shù)制備增材制造單晶鎳基高溫合金試樣，設(shè)備示意圖如圖1(a)所示。成功制得具有良好單晶結(jié)構(gòu)的高溫合金樣品，其枝晶微觀組織的光鏡照片和晶體取向分布的EBSD表征結(jié)果如圖1(b-c)。
圖1. (a) 激光增材制造過程示意圖，增材制造樣品的(b) 光鏡圖和(c) EBSD表征圖
分別對增材制造單晶合金和傳統(tǒng)鑄造合金進行銷盤旋轉(zhuǎn)對磨實驗。結(jié)果顯示增材制造樣品的磨痕深度與寬度均小于傳統(tǒng)鑄造樣品（圖2(a, b)），經(jīng)統(tǒng)計增材制造樣品的磨損率為0.94 mm3 N-1 m-1，相比傳統(tǒng)鑄造樣品（3.71 mm3 N-1 m-1）降低74.7%。由于在磨損過程中，粗糙峰會最先接觸并發(fā)生磨損，因此研究粗糙峰對理解組織演化至關(guān)重要。為進一步了解磨損過程中的組織演化，作者對磨損組織進行提樣與表征，圖2(c)顯示了粗糙峰區(qū)域的提樣示意圖。
圖2. (a) 傳統(tǒng)鑄造與(b) 增材制造樣品磨痕橫截面和三維形貌圖，
(c) 粗糙峰區(qū)域提樣示意圖
相比于傳統(tǒng)鑄造樣品粗糙峰表面發(fā)生了多晶化，增材制造樣品的粗糙峰處形成了獨特的梯度結(jié)構(gòu)。圖3全面的展示了增材制造合金樣品的未磨損處、磨痕處和粗糙峰處三個區(qū)域的微觀組織結(jié)構(gòu)。未磨損的增材制造組織整體保持了單晶結(jié)構(gòu)（圖3(a)）。磨痕處（圖3(b)）組織在距離表面約百納米區(qū)域發(fā)生了取向偏轉(zhuǎn)，在該層下方仍保持了良好的單晶結(jié)構(gòu)。在粗糙峰區(qū)域的梯度組織中（圖3(c1-c4)），沿著<001>方向其組織從單晶演變到多晶，且越靠近表面組織越細化，最頂層形成了約2 μm的納米晶層。
圖3. 增材制造樣品在 (a) 未磨損、(b) 磨痕區(qū)域、(c) 粗糙峰區(qū)域的明場像及SAED圖；(b1-b2)與(c1-c4)分別為(b)、(c)圖中距離表面不同距離組織的SAED圖與明場像
結(jié)合高分辨透射電鏡的表征，在增材制造樣品粗糙峰區(qū)域的多晶區(qū)域（距表面2-5.5 μm）觀察到大量位錯（圖4(a)與(a1)），這會促進高角晶界產(chǎn)生并導(dǎo)致組織多晶化（圖4(b)與(b1)）。隨著粗糙峰表面微觀組織中晶界和位錯密度的增加，氧原子的擴散和氧化反應(yīng)被激活。XPS結(jié)果顯示磨損表面大部分元素發(fā)生了氧化（圖3(c)），在距粗糙峰表面<2 μm的區(qū)域中檢測到了鎳的氧化物（圖4(d, e)）。
圖4. (a, b) 增材制造樣品粗糙峰中距表層2-5.5 μm區(qū)域組織的高分辨圖與對應(yīng)區(qū)域的IFFT圖，(c) 磨損表面不同元素的XPS譜，(d) 距表層<2 μm區(qū)域明場像與(e) 對應(yīng)區(qū)域的EDS圖
納米壓痕測試結(jié)果顯示，增材制造樣品的硬度相比于傳統(tǒng)鑄造樣品提高了24%。經(jīng)分析，增材制造樣品的硬化一部分來源于增材制造樣品中較高的位錯密度（圖5(a, b)），另一部分來源于較小的γ?強化相尺寸（圖5(c)）。根據(jù) Archard’s law可知，材料的硬度與磨損體積成反比，由此可知增材制造樣品的磨損率相比傳統(tǒng)鑄造樣品更低。
圖5. (a) 傳統(tǒng)鑄造與(b) 增材制造樣品的初始位錯密度，
(c) 理論推導(dǎo)的不同尺寸γ?與臨界分切應(yīng)力Δτ的關(guān)系
上述結(jié)果表明，增材制造樣品在摩擦磨損過程中形成的粗糙峰組織具有獨特的梯度納米結(jié)構(gòu)，其演化示意圖總結(jié)如圖6所示。該梯度結(jié)構(gòu)以額外的細晶強化、第二相強化和應(yīng)變硬化方式進一步提升了增材制造樣品的耐磨性能。
圖6. 增材制造樣品中磨損引發(fā)的粗糙峰處組織演變示意圖
05 總結(jié)與展望
綜上所述，本研究利用激光定向能量沉積增材制造方法成功制備了取向控制良好、冶金缺陷密度低的SRR99單晶鎳基高溫合金，探究了相同對磨條件下增材制造與傳統(tǒng)鑄造單晶合金組織演化的微觀機制，揭示了增材制造合金優(yōu)異耐磨性能的結(jié)構(gòu)根源，建立了單晶合金組織演變與耐磨性能之間的關(guān)系，為增材制造技術(shù)應(yīng)用于單晶渦輪葉片榫頭的修復(fù)提供了有力支撐。
06 作者介紹
陳凱
西安交通大學(xué) 教授
西安交通大學(xué)陳凱教授團隊長期從事同步輻射微束衍射技術(shù)的軟硬件開發(fā)，并利用該先進表征方法實現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化材料的應(yīng)力與微觀組織調(diào)控及性能優(yōu)化（研究領(lǐng)域及方向詳見下圖）。陳凱教授2012年入選國家級青年人才，2013年起擔任國家級大科學(xué)裝置上海同步輻射光源專家組成員，2024年起擔任陜西省材料及熱處理學(xué)會理事長，曾主持國家自然科學(xué)基金、兩機專項課題，并在Science、Advanced Materials等國際知名雜志發(fā)表SCI論文80余篇。
聯(lián)系方式：kchenlbl@gmail.com
07 引用本文
Chenyu Ren, Kai Chen, Jingjing Liang, R. Lakshmi Narayan, Upadrasta Ramamurty, Jinguo Li, Microstructural evolution and its influence on the wear resistance of a laser directed energy deposited Ni-based single crystal superalloy, J. Mater. Sci. Technol. 205 (2025) 127-138.
來源
材料科學(xué)和技術(shù) l
西安交通大學(xué)陳凱教授團隊：激光增材制造單晶鎳基高溫合金在磨損過程中的組織演變及其對耐磨性的影響
