孙兵兵， 姜 涛， 雷 杨， 陈冰清， 曾天翼， 王 威

(1. 中国航发北京航空材料研究院， 北京 100095； 2. 中国科学院 金属研究所 师昌绪先进材料创新中心， 辽宁 沈阳 110016； 3. 中国科学技术大学 材料科学与工程学院， 辽宁 沈阳 110016； 4. 中国科学院 核用材料与安全评价重点实验室， 辽宁 沈阳 110016)

三维打印(3D printing)技术，也被称为“增材制造”技术，最早由美国3D系统公司的Chuck Hull发明，并在1986年成功申请专利。3D打印在汽车制造、医疗设备设计和航空航天等多个领域得到了广泛的应用，Chuck Hull也被称为3D打印之父。有别于材料的一般加工方法(如铸造、焊接和锻造等)，3D打印首先需要对所要打印的零部件进行计算机辅助设计、专业计算机动画建模软件建模，或由三维扫描仪直接生成打印模型。随后以此模型为基础，生成被“分割”的许多层横截面信息，从而指导3D打印设备将预制备的塑料或金属粉末按读取的横截面信息逐层打印，最终制造出一个三维实体。

相比于一般零部件制备方法，3D打印具备精度高、周期短、成本低及可定制生产等优势，能够实现高性能复杂结构金属零件的无模具、快速、全致密、近净成形，在产品设计、建筑设计、模具制造、机械制造、家电制造和生物医学等多个领域具有广阔的应用前景。目前，在国内外工业生产中使用最多的3D打印材料就是金属材料，而运用较为成熟的金属3D打印技术主要有选择性激光熔化成形(Selective laser melting，SLM)、选择性激光烧结(Selective laser sintering，SLS)、熔融沉积式(Fused deposition modeling，FDM)、电子束自由成形制造(Electron-beam freeform fabrication，EBF)和电子束熔化成形(Electron beam melting，EBM)等。

GH4169合金是一种以沉淀强化为主要强化方式的镍基高温合金，无论是低至-250 ℃左右，还是高达650 ℃左右都具有优良的综合力学性能。在变形高温合金中，GH4169合金的屈服强度在650 ℃以下时是最高的，此外还具有优异的耐腐蚀、抗辐射及抗疲劳断裂性能[8]。得益于这些优良性能，加上其成形性能十分优越，能够制造复杂形状的零部件，GH4169合金在核电、航空航天、油气开采及模具等领域得到极为广泛的应用。另外，该合金的微观组织对热加工工艺参数非常敏感，若能获得合金中第二相析出及溶解机制以及微观组织与热加工或热处理工艺、力学性能之间的内在联系，则可根据不同的服役需求制定适宜的工艺，从而制备可满足不同服役要求的各种零部件，如在航空领域广泛应用的盘、环、叶片、轴、紧固件和弹性元件、板材结构件、机匣等[9]。目前，国外采用选择性激光熔化成形(SLM)技术制备GH4169合金零部件的技术已较为成熟，而国内对用此技术制备的该合金零部件性能的研究几乎没有报道。直接用SLM技术制备的GH4169合金与一般锻造加工的GH4169合金不同，前者的致密度不如后者，因此有必要对其进行热处理以期获得良好的综合力学性能[10]。因此，本文以进口GH4169合金粉末为原材料，采用SLM技术制备拉伸试样，对比研究热处理前后试样的化学成分、显微组织及力学性能变化。

1 试验材料与方法

试验材料为德国生产的GH4169合金粉末，专用于先进的选择性激光熔化成形(SLM)技术，其相近成分有美国牌号Inconel 718，德国牌号NiCr15Fe7TiAl，法国牌号NC19FeNb。经检测，试验GH4169合金粉末在扫描电镜下呈球状，不同粉末之间的粒径差异不大，其平均粒径约30 μm。本文采用的3D打印设备是EOSINTM280激光金属粉末熔化仪，由3.5 kW掺镱光纤激光器和高精度自动铺粉系统构成。设备原理是利用红外激光器对金属粉末直接熔化成形。试验前，首先对GH4169合金粉末进行烘干，目的在于减少吸潮可能对成形样品致密度等带来的影响。随后，将烘干的GH4169合金粉末倒入铺粉仓中并置于底板上，待校正水平等工作就绪后进行选择性激光熔化成形试验。试验前将预先生成的3D图像转换成STL格式并输入到设备中。根据相关技术标准，选择粉末层厚度约为40 μm，激光光斑直径定为φ0.1 mm。工作仓中氧气体积分数需低于1.3%，外轮刮线功率、速率及厚度分别设置为58.5 W，700 mm/s和7400 μm。此外，打印间距设定为0.05 mm。待所有准备工作就绪后，关闭设备仓门，开始抽真空，待氧气体积分数降到1.3%以下后开始SLM试验。整个试样制备过程在真空环境下进行。制备结束后，将3D打印的GH4169合金试样扫去表面残留的粉末，随后卸下基板，整个选择性激光熔化成形试验至此结束。表1给出了3D打印GH4169合金试样的化学成分。

表1 3D打印GH4169合金试样的化学成分(质量分数，%)

将一部分3D打印的GH4169合金试样进行热处理，具体热处理工艺：将试样置于980 ℃环境中进行固溶处理，保温1 h后空冷至室温；随后将试样在720 ℃时效8 h并以50 ℃/h的冷速炉冷至620 ℃，在此温度下继续时效8 h后空冷。

将打印态及热处理态3D打印GH4169合金按照图1进行线切割，得到金相试样和拉伸试样，其中金相试样3个不同的截面分别为：垂直于沉积方向(XY向)得到XOY面，定义为步进面；沿沉积方向(Z向)截取得到YOZ和XOZ面，定义为沉积面。将试样镶嵌、磨抛、腐蚀后置于体视显微镜下观察其低倍组织和缺陷形貌，并在Zeiss LSM700光学显微镜和TESCAW LYRA3场发射扫描电镜下观察其组织形貌。在FEI Scios聚焦离子束/扫描电镜(FIB/SEM)中，通过提取和磨尖的方法制备打印态以及热处理态GH4169合金的三维原子探针(3DAP)试样。在CAMECA LEAP 5000 XR上进行了3DAP试验，数据采集温度为60 K，脉冲重复率为200 kHz，脉冲分数保持在20%，每场蒸发脉冲离子采集率设定为0.3%，并利用IVAS 3.8软件对采集的数据进行三维重建、成分分析和等浓度面生成。

GH4169合金试样经机械研磨和抛光后，在SSO550扫描电镜(附带疲劳试验台)对表面抛光试样进行拉伸试验。拉伸试样尺寸如图2所示。

2 试验结果与讨论

图2为打印态及热处理态GH4169高温合金的三维宏观形貌。由图2(a)可知，打印态GH4169合金沿Z向两个面组织一致，可见明显的、平行的沉积层带及沿步进方向分布的鱼鳞状微熔池，且Z向可见贯穿多层沉积带的明显柱状晶组织。XY向组织均匀，且XY向可见交叉的带状步进焊道，受剖切面位置影响，焊道不连续。相比打印态，热处理态3D打印GH4169高温合金各面组织、颜色变得更加均匀，沉积层带、步进焊道变得模糊，但Z向生长的枝晶特征仍较明显。

图3为打印态及热处理态GH4169合金的微观组织照片。从图3(a-d)可以发现，打印态GH4169合金的微观组织由沿沉积方向的鱼鳞状熔池和沿沉积方向的细长柱状晶构成，熔池和晶粒内部均为凝固枝晶组织，熔池内枝晶细小，交界处枝晶杂乱、粗大向其它熔池延伸。SEM结果显示，晶界和晶内均有少量形状规则的大块氮化物相(MN)。热处理态试样形貌中仍可见沿沉积方向的焊道和熔池特征。热处理后晶界和晶内的析出相明显增多，晶内弥散分布着截面呈透镜状的γ″相，如图3(e～h)所示。

室温(20 ℃)拉伸数据如表2所示，表2中同时列出GJB 1953—1994《航空发动机转动件用高温合金热轧棒材规范》中规定的GH4169合金的力学性能数据。可见，打印态GH4169合金在室温下的抗拉强度及屈服强度与普通锻造GH4169合金热处理态接近，分别达到1247 MPa以及1096 MPa，而伸长率及断面收缩率略低，仅为8.9%及13.8%。经热处理后，3D打印GH4169合金的强度和塑性均获得了提升，抗拉强度由打印态的1247 MPa提升至1456 MPa，而伸长率也由打印态的8.9%升高至12.8%。

表2 不同状态GH4169合金的力学性能

同时，由图3(a～d)可知，打印态GH4169合金经热处理后，枝晶组织基本消失，因此其塑性明显提升。通常，GH4169合金经固溶处理后，可以有效减少基体中的δ相的数量。虽然晶界处的δ相对位错移动起到钉扎作用，提高材料的强度，但是过多的晶界δ相会降低材料的塑性，因此通过固溶处理，降低基体中δ相的含量，有利于改善材料的塑性。同时，由于固溶处理降低了合金中δ相的含量，基体中Nb消耗减少，因此，在720 ℃进行时效，有利于富Nb的γ″相的析出。如图5(d)所示，大量的γ″相弥散分布在基体中，截面呈透镜状(或称为圆盘状)。在620 ℃下以细小质点析出的γ′相，由于本身受到Ti、Al含量的影响，析出数量本身较少，且尺寸很小。

图4为打印态及热处理态GH4169合金的三维浓度分布图。可以看出，打印态GH4169合金基体中所有合金元素均匀分布在基体中，基本无析出相或元素的富集。而经热处理后，虽然GH4169合金基体中的Mo以及Co在基体中均匀分布，但可以明显确定，基体中含有尺寸较小并均匀分布的Ni3(Ti,Al)(γ′相)以及尺寸较大的富Nb和Ti的析出相(γ″相)，析出相的位置无Cr及Fe的富集。相较于打印态GH4169合金，时效态合金的强度有明显的升高，这归因于时效过程中形成的大量纳米级析出相有效阻碍了材料变形过程中位错的运动，显著提高了材料的屈服强度[13]和抗拉强度。

3 结论

1) 打印态GH4169合金组织表征结果显示，其微观组织由沿沉积方向的鱼鳞状熔池和沿沉积方向的细长柱状晶构成，熔池和晶粒内部均为凝固枝晶组织。此外3DAP结果显示，所有合金元素在基体中均匀分布，无元素偏聚及析出；经热处理后，热处理态GH4169合金的3DAP结果显示，较多合金元素发生了富集，形成了尺寸较小的Ni3(Ti,Al)(γ′相)以及尺寸较大的富Nb和Ti的析出相(γ″相)。

2) 3D打印制备GH4169合金热处理后力学性能的提高归因于枝晶组织的消失、有害δ相的减少以及大量纳米级γ″相和γ′相在基体中的析出。