背景简介

Haynes 282是一种γ′硬化镍基高温合金，具有优异的高温性能，是燃气轮机等应用的理想候选材料。增材制造（AM）工艺因能进行复杂特征、轻质结构和创新结构的设计而获得了越来越多的工业关注。然而，与锻造零件相比，增材制造零件通常表现出较差和不确定的机械性能，尤其在疲劳性能方面。因此，在任何增材制造合金应用于疲劳应用之前，仔细表征其机械性能具有重要意义。目前对于Haynes 282的疲劳行为，特别是在低温下的疲劳行为的研究甚少，即使在锻造状态下，疲劳数据也只存在于非常有限的温度范围内。由于增材制造的独特工艺特性，镍基高温合金的微观结构可能与其锻造合金显著不同，这可能会显著影响拉伸和疲劳性能。因此，建立和完善增材制造特定的材料结构-性能数据库是增材制造在疲劳关键应用中亟需解决的关键问题之一。

本研究旨在了解激光粉末床熔融（L-PBF）Haynes 282在不同温度下的低周疲劳（LCF）行为。除了提供不同试验温度下的材料数据外，本研究还比较了热等静压试样在机加工表面（HIP/M试样）和非热等静压试样在未机加工表面（Non-HIP/UM试样）的疲劳性能，并评估了热等静压（HIP）和表面加工联合后处理操作的有效性。

成果介绍

（1）在热处理计划中加入HIP并没有导致晶粒尺寸和γ′沉淀分布存在明显差异。从EBSD分析中获得的反极图（IPF）表明，两种热处理（HT）条件产生的晶粒尺寸相似（见图1（a）和（e）段）。BSE显微图片（图1（b）和（f）段）显示，凝固后的树枝状微观结构在两种HT方案中都保持不变，但HIP/M试样中由于额外的HIP而有所粗化。双重时效之后，在这两种条件下都会形成球形γ′沉淀物（图1（d）和（h））。

图1 从EBSD分析获得的IPF图片以及从径向平面获得的BSE显微图：（a）-（d）Non-HIP/UM试样；（e）-（h）HIP/M试样

（2）Haynes 282的循环变形行为随测试温度的变化发生显著变化。在21、204、760和871 ℃测试的试样，无论应变幅如何，都表现出循环软化。这是由于驻留滑移带对γ′沉淀的剪切作用是主要的变形机制。在−195和427 ℃下、 循环应力振幅几乎是恒定的，这是由于−195 ℃下的变形孪晶和427 ℃下的普通位错滑移引起的循环硬化与γ′沉淀剪切引起的循环软化之间达到平衡。在649 ℃下，材料在0.010 mm/mm应变幅下表现出循环硬化，在0.005 mm/mm应变幅下表现出循环软化。这种对比行为归因于在前者中主要发生普通位错滑移（和位错密度增加），而在后者应变水平中，沉淀剪切是主导变形机制。

图2 不同温度和两种应变幅下应力幅的演变：（a）-（b）Non-HIP/UM试样；（c）-（d）HIP/M试样

图3 HIP/M试样在疲劳断口表面附近区域纵向平面上的BSE显微图

图4 HIP/M试样在疲劳断口表面附近区域纵向平面上的BSE显微图

（3）在649 ℃以下的两种应变幅下，与未机加工表面的Non-HIP试样相比，机加工表面的HIP试样显示出更长的疲劳寿命。这种差异可能归因于在Non-HIP和未机加工条件下，表面缺口和亚表面孔隙对疲劳裂纹萌生的加速作用。在871 ℃下，无论应变幅如何变化，HIP/M和Non-HIP/UM试样都表现出相似的疲劳寿命，这主要是由于塑性变形增加以及氧化物辅助裂纹萌生和裂纹扩展的主导作用。

图5 Non-HIP/UM和HIP/M试样在不同试验温度下和（a）0.010 mm/mm和（b）0.005 mm/mm应变幅的疲劳寿命结果

致谢

该研究工作得到了美国国家航空航天局（NASA）（80MSFC19C0010）和美国国家科学基金会（NSF）的支持。本文通讯作者：Nima Shamsaei（National Center for Additive Manufacturing Excellence (NCAME), Auburn University, Auburn, AL 36849, USA）。

本期小编：杨苡桐（整理）

闵　琳（校对）

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高　欣（发布）