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文|小昕
編輯|小昕
選擇性雷射熔化是一種添加制造技術，它能夠在逐層制造過程中生産幾乎完全緻密的3D金屬零件，随後的50到100µm厚的粉末層被聚焦的雷射束熔化并固化，以獲得給定的計算機輔助設計模型。
這種加工允許直接制造具有複雜幾何形狀的金屬部件，而幾乎不需要進一步加工，這大大減少了加工工具的材料浪費和投資成本。
由于上述原因，飛機制造業對通過SLM制造鎳基部件越來越感興趣，是以，近年來對SLM加工的Inconel718進行了廣泛的研究。
IN718是一種常見的鎳基奧氏體合金，在高達700°C的高溫下具有高強度和優異的耐腐蝕性，由于這些屬性，它被廣泛用于航空工業中的渦輪發動機或高速機身部件，以及石油和天然氣工業中的閥門、封隔器或緊固件。
●○材料和方法○●
粉末主要包括具有良好流動性的球形顆粒，3512和2012的平均直徑µ使用HoribaLA-950雷射衍射粒度分析儀分别測定IN718和Re粉末的m，在具有ZrO的單球磨機中以200rpm的轉速進行研磨容量為500毫升的容器，裝有25個直徑為25毫米的球。
直徑為8mm的圓柱形樣品在兩個建構方向上制造，圓柱軸垂直于和平行于建構方向，XY掃描政策用于樣品制備，具有以下工藝參數:雷射功率400W，掃描速度500mms−1層厚50µm，以及掃描線之間的距離160µ米通過X射線熒光分析儀測量的所得SLM處理的IN718-Re合金的化學組成。
用NikonEclipseMA200光學顯微鏡和裝有背散射電子檢測器的HitachiSU8000掃描電子顯微鏡檢查微結構，使用20毫升HCl、10克FeCl溶液研磨、抛光和蝕刻用于金相觀察的切片幾秒鐘3和30毫升乙醇。
在高分辨率掃描透射電子顯微鏡日立HD-2700上進行樣品的能量色散X射線光譜分析和詳細的沉澱物表征，使用FIB-SEM日立NB5000系統，通過聚焦離子束提離技術制備用于STEM研究的薄片。
用動電位極化和電化學阻抗譜方法研究了室溫下的耐蝕性，這兩種測試環境都是0.1毫納2是以4和0.1MNaCl溶液，兩者都通過加入H酸化至pH42是以4和HCl，将SLM制造的圓柱體0°和90°切割成1mm厚的圓盤，獲得用于腐蝕測試的樣品，這些~0.5厘米的暴露面積2圓盤分别對應于XZ和XY平面。
暴露前，用SiC砂紙将所有表面研磨至1200粒度，并在丙酮中超聲清洗，使用AutoLabPGSTAT100恒電位儀在三電極裝置和輔助鉑電極中進行動電位和阻抗測試。
從低于腐蝕電位約150mV的電位記錄動電位曲線至1500mV，潛在掃描速率為0.2mVs−1。腐蝕後的樣品用掃描電鏡觀察，阻抗測試在從105到10−3Hz，正弦信号幅度為5mV，阻抗譜在開路電位下以恒電位模式記錄，并随後通過Boukamp的Equivcrt軟體進行分析。
●○IN718的微觀結構○●
718樣品的微觀結構如圖所示在互相垂直的平面XY和XZ中，觀察到具有層狀結構和柱狀結構的SLM加工材料的典型微結構，考慮XY平面，雷射掃描軌迹的寬度約為150°µm清晰可見。平行掃描軌迹以由建構政策産生的鋸齒形圖案定向，并且它們的寬度對應于所應用的160°陰影間距µ米。
各個軌道由互相平行的細長顆粒組成，同樣，大小為10至30的等軸晶粒µm可以在相鄰的掃描軌道之間被識别。
這可能是由重疊區域的重新熔化過程造成的，在XZ平面中的SEM觀察也揭示了竣工樣品的微觀結構由寬度為10至30的柱狀晶粒所主導µm和幾百微米的長度，它們沿着建造方向伸長。
此外，在XZ平面上可以看到弧形熔池展示了雷射束制造過程中各層的發展，熔體池的尺寸由施加的層厚度和艙口間距。
所觀察到的比掃描層的厚度更長的單向柱狀晶粒是在SLM處理期間在由熱通量确定的方向上發生的外延晶粒生長的結果，因為熱量主要在建築方向上消散，最高溫度梯度和凝固速率出現在沿Z-軸，這種加工條件導緻在IN718中形成細小的柱狀/蜂窩狀枝狀亞結構。
每個晶粒由柱狀/胞狀枝晶組成，在XY平面上可以看到等軸胞狀結構和在XZ平面中幾乎平行于建構方向生長的柱狀/蜂窩狀枝晶，蜂窩狀和柱狀結構的典型寬度大緻相同，并且在700和1100nm之間的範圍内，應該提到的是，在SLM處理的IN718合金的情況下，這樣精細的樹枝狀亞結構是标準的。
柱狀、蜂窩狀樹枝狀亞結構的形成似乎伴随着顯微偏析，以熔池的高凝固速率為特征的SLM處理防止了對偏析高度敏感的合金元素的宏觀偏析，即Nb或者Mo，然而，不可能完全避免這些元素的顯微偏析。
枝晶間區域高度富集Nb和Mo，這導緻形成不規則形狀的Laves相和樹枝狀細胞之間的MC型碳化物，此外，在基體中還可以看到富含Nb和Ti的球形MC型碳化物，其尺寸小于100nm，以及少量細小的al氧化物，根據冷卻過程中IN718合金的相變順序，可以解釋Laves相和MC型碳化物在枝晶間空間的出現。
IN718合金的凝固過程始于液相(L)向奧氏體基體γ相的反應(L→γ)，然後，是Nb、Mo、Ti和C的枝晶間液體的富集和一系列共晶型反應，随着溫度降低，共晶型反應L→(γ+NbC)發生，導緻c中剩餘液體的耗盡，之後，剩餘液體中Nb和Mo的濃度足夠高，第二次共晶型反應L→(γ+Laves)導緻Laves相形成。
●○IN718-Re合金的顯微組織○●
铼的添加不會引起SLM處理的IN718合金的顯微組織的任何劇烈變化，在IN718-Re合金的情況下，仍然保持具有細小枝晶亞結構的柱狀結構，如圖所示，在IN718-Re合金中還存在球形MC型碳化物以及在富含Nb和Mo的枝晶間間隙中的Laves相，铼大部分溶解在γ相基質中，然而，一些尺寸從幾微米到20微米未溶解的稀土顆粒µ還可以看到m。
由于γ相基體中Re原子的存在，主要的微觀結構變化是柱狀/胞狀枝晶的尺寸，柱狀/蜂窩狀結構的寬度随着Re含量的增加而增加從893±223到1936±515nm，分别為IN718和IN718-6Re，El-Bagoury也觀察到稀土元素的類似作用以及其他人用于鑄造IN718合金。
較高的Re含量導緻γ相體積分數增加，枝晶間距增大，這種微觀結構的變化可以用合金元素的重新分布來解釋，铼被認為是鎳基合金中的固溶體增強劑并傾向于偏析成γ枝晶，結果，γ相柱狀/胞狀枝晶的體積分數随着Re含量的增加而增加，而犧牲了富含Nb和Mo的枝晶間區域。
●○動電位極化○●
為了觀察添加铼對IN718合金耐腐蝕性的影響，在0.1MNa中進行了動電位極化測量，是以和0.1MNaCl溶液(均酸化至pH4)，在兩個制造方向上制造的IN718-Re合金的所有電化學參數，圖中顯示了在0度、0.1M鈉中制造的IN718-Re合金的極化曲線2是以4環境，根據電流響應可以注意到被動區和跨被動區。
IN718合金在很寬的電位範圍内處于鈍化狀态，在0-700mV之間觀察到鈍化平台，當電流密度快速增加到大約1000mV時，可以看到過鈍化區，這對應于鉻化合物的溶解，高于1000mV的進一步陽極極化導緻鈍化膜的退化，并導緻厚的和破裂的鉻基氧化物層。
電化學行為以及腐蝕電流密度icorr和腐蝕可能性EcorrIN718-Re合金與不含Re的IN718略有不同，差別之一是IN718-Re合金的陰極分支和主動-被動區的電流密度較低，這表明IN718合金上空氣形成的鈍化膜更容易減少。
另一方面，铼的加入降低了鈍化層的耐久性，如鈍化平台縮短和極化曲線在500-900mV範圍内向較低電位值移動所證明的，還應該注意到，對于更高的re含量，曲線進一步移動。然而，IN718和IN718-Re合金之間的主要差別是icorr和Ecorr值，稀土的加入提高了IN718合金的耐蝕性。
腐蝕電流密度icorr從0.20顯著降低到0.07-0.09µ一厘米−2分别在IN718和IN718-Re合金中觀察到，此外，腐蝕電位Ecorr随着Re含量的增加向正值移動，IN718-6Re合金的總增加值約為60mV。
0°和90°的建築朝向産生了相似的電化學行為和耐腐蝕性，腐蝕電流密度icorr90度樣品的值略有降低，而0度樣品顯示出更大的正值Ecorr，盡管如此，添加铼對IN718合金的耐腐蝕性的積極影響仍然作為腐蝕電位被觀察到Ecorr随着Re含量的增加而增加。
在含氯化物環境中的動電位測量結果也顯示，與不含Re的IN718合金相比，IN718-Re合金的耐腐蝕性增強，腐蝕電流密度icorr大大降低了腐蝕的可能性Ecorr對于IN718-Re合金向更正的值移動，在0度和90度下制造的樣品顯示出相似的耐腐蝕性。
此外，Re的加入穩定了Cl中的鈍化層−包含環境，IN718和IN718-2Re合金在300至600mV的電位範圍記憶體在尖銳的電流密度尖峰證明了這一點。這種電流密度尖峰對應于亞穩态點蝕生長而在IN718-4Re和IN718-6Re合金中不出現。
圖中展示了在0.1MNaCl溶液中動電位極化至約1000mV後，以0°和90°兩種建築取向制造的IN718樣品的SEM圖像，在0度樣品的情況下，整個暴露的表面已經被蝕刻，顯示出初始的微結構單元，弧形熔池和細柱狀/蜂窩狀樹枝狀亞結構，相反，樣品90°的SEM觀察顯示樣品表面局部腐蝕。
較厚的氧化層形成在互相平行的帶内，這些帶分開大約。150µ這對應于相鄰雷射掃描軌道之間的重疊區域，同時，重疊區域之間存在較薄的氧化層，仍可見研磨劃痕，應該注意的是，樣品0°時1000mV電勢的電流密度幾乎比樣品90°時高一個數量級。
是以，考慮到動電位極化測量和SEM觀察結果，重疊區域似乎是SLM處理IN718-Re合金腐蝕的優先位置，這可能是由于重疊區域的特征在于較高比例的晶界和更高的累積能量，進一步的電化學腐蝕導緻在樣品表面形成均勻的氧化層，并暴露出由雷射束制造産生的初始微結構單元，例如弧形熔池或雷射掃描軌迹。
在本研究中，研究了添加铼對SLM處理的IN718合金的顯微組織和耐蝕性的影響，主要結論可歸納如下：
IN718-Re合金的鑄态顯微組織，主要由沿平行于建構方向的多層生長的柱狀晶粒組成，每個柱狀晶粒的特征在于細小的柱狀、蜂窩狀樹枝狀亞結構，枝晶間空間高度富集Nb和Mo，這導緻在枝晶間形成Laves相和MC型碳化物。