TA9高温合金的化学成分、热处理性能以及热导率分析
TA9高温合金是一种重要的金属材料，其化学成分、热处理性能以及热导率对于其在高温环境下的应用至关重要。本文将从化学成分、热处理性能和热导率三个方面对TA9高温合金进行分析。
TA9化学成分TA9高温合金化学成分主要由钛(Ti)、铝(Al)和钼(Mo)等元素组成。其中，钛作为基础元素，具有良好的高温稳定性和机械性能，使得TA9合金在高温环境下具有较好的耐腐蚀性和高强度。铝的加入能够提高合金的强度和硬度，同时增强合金的抗氧化性能，延长其在高温下的使用寿命。钼的加入可以提高合金的抗拉伸性能和耐热性能，使得TA9合金在高温环境下具有更好的稳定性和可靠性。
TA9热处理性能TA9高温合金在热处理过程中具有良好的可塑性和可变性，可以通过调整热处理工艺来改变其组织结构和性能。一般而言，TA9高温合金的热处理工艺包括固溶处理和时效处理两个阶段。
固溶处理是将合金加热至固溶温度以上，使得合金中的固溶体溶解成为均匀的固溶液，从而提高合金的塑性和可变性。固溶处理温度通常在950°C到1050°C之间，时间根据合金的厚度和成分而定，一般为1小时左右。固溶处理后，可通过快速冷却或空冷的方式将合金冷却至室温。
时效处理是在固溶处理后将合金加热至适当的温度，使得合金中的固溶体析出出来，形成强化相，从而提高合金的强度和硬度。时效处理温度通常在500°C到800°C之间，时间根据合金的要求而定，一般为4小时左右。时效处理后，可通过空冷或温度逐渐降低的方式将合金冷却至室温。
TA9热导率分析TA9高温合金的热导率是其在高温环境下导热性能的重要指标之一。热导率的大小直接影响了合金在高温环境下的热稳定性和散热能力。一般而言，TA9高温合金的热导率随着温度的升高而逐渐减小，这是由于在高温下晶格振动增强，导致热传导能力降低所致。
根据实验数据，TA9高温合金在室温下的热导率约为20 W/(m·K)，随着温度的升高，热导率逐渐降低，当温度达到800°C时，热导率约为15 W/(m·K)。这说明在高温环境下，TA9高温合金的热传导能力相对较低，需要通过其他方式进行散热，如增加表面散热面积或采用散热片等措施。
TA9高温合金的化学成分、热处理性能以及热导率对于其在高温环境下的应用具有重要意义。了解和掌握这些关键参数，可以为合金的设计、制备和应用提供重要参考，从而提高合金的性能和可靠性。
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最新综述！激光增材制造Mar-M247和CM247LC高温合金抗开裂行为研究进展
增材制造是一种以数字模型为基础，将材料自下而上逐点快速熔凝、逐层累积堆叠的实体制造技术，可以实现高性能、高自由度几何部件的快速制造以及损伤部件的高效率、高质量修复。根据热源类型，增材制造可分为激光增材制造、电子束增材制造以及电弧增材制造。激光具有能量密度高、加工精度高、材料适用性广以及使用灵活的特点，是目前金属增材制造领域研究及应用最为广泛的热源。激光增材制造最具代表性的两种技术是激光粉末床融合（Laser powder bed fusion，L-PBF）技术和基于同步送粉的激光定向能量沉积技术（Laser directed energy deposition，L-DED）。L-PBF是将激光束按规划的路径扫描预先铺置的粉层，粉末经熔化再凝固后形成具有一定厚度的结构层，循环往复，最终实现三维成形。L-DED可利用气体输送粉末从喷嘴喷出，并与高能激光束交汇于基材，粉末经熔化再凝固后逐层沉积，可实现对零件局部损伤区（减肉、磨损以及裂纹）的快速修复。
镍基高温合金具有优异的高温力学性能、良好的抗氧化性能和耐腐蚀性能，其结构件形状复杂且设计独特，主要用于航空航天和能源动力领域。增材制造可使零部件表现出复杂化、轻量化以及一体化的结构优势。关于镍基高温合金零部件的增材制造技术研究备受关注，并已逐渐发展成为具有良好可焊性镍基高温合金零部件快速制造及修复的重要技术途径（如Inconel 718、Inconel 625、Hastelloy X）。目前，通过增材制造的镍基高温合金种类不断丰富，包括高温性能更加优异但可焊性差的合金，如Mar-M247和CM247LC。
Mar-M247镍基高温合金主要用于真空熔模铸造工业燃气轮机高温透平叶片。20世纪90年代，Cannon-Muskegon 公司对Mar-M247合金的成分进行调整，设计出CM247LC 合金，并被广泛应用于定向凝固高温透平叶片的铸造。这两种合金由于其优异的热力学和抗热腐蚀性能，广泛应用于航空航天与能源动力领域。归因于众多的难熔元素，Mar-M247和CM247LC合金的激光增材制造是国际公认的技术难题。尽管对开裂机理进行了广泛研究，但完全控制裂纹的形成仍是困难的，开裂问题已然成为制约该类合金增材制造应用的最大瓶颈。
【研究亮点】
综述了激光增材制造镍基高温合金Mar-M247和CM247LC中裂纹的类型、形成机制以及抑制方法的研究现状。
【全文导读】
清洁高效透平动力装备全国重点实验室、东方电气集团东方汽轮机有限公司、中广核工程有限公司、山东大学材料液固结构演变与加工教育部重点实验室联合研究团队在2024年第44卷第8期《特种铸造及有色合金》期刊上发表了题为“激光增材制造Mar-M247和CM247LC高温合金抗开裂行为研究进展”的文章，作者综述了激光增材制造镍基高温合金Mar-M247和CM247LC中裂纹的类型、形成机制以及抑制方法的研究现状。从参数优化、外场辅助以及材料开发等方面对激光增材制造无裂纹Mar-M247和CM247LC合金的发展趋势进行了综述，指出采用更为优化的参数统计方法加速工艺筛选、设计更具灵活性的预热方式以及人工智能赋能新型打印材料开发可能是该领域重要的发展方向。
【图文解析】
1 裂纹形成机制
表1为Mar-M247合金和CM247LC 合金的名义化学成分，其显微组织特点类似，晶内γ-基体［Ni］由弥散分布的高体积分数的L12形有序γ′-［Ni3（Al， Ti）］ 沉淀强化相（完全热处理条件下γ′相的含量达到67%以上）和Co、W、Cr和Mo等固溶元素共同强化，晶界主要通过碳化物沉淀强化。
合金构件在热机械制造过程中几乎都会在其内部生成残余应力，当残余应力超过合金的屈服强度，便会通过变形以及开裂等方式来释放应力，从而导致构件失效。与传统制造方式相比，激光增材制造具有更为复杂的热过程，从而导致在增材构件内部累积更大的残余应力。在激光增材制造Mar-M247和CM247LC合金构件过程中，残余应力主要来自熔池附近区域发生的严重收缩引起的机械应力、由高的温度梯度和大的温度变化引起的热应力以及由微观组织变化引起的组织应力。残余应力被认为是裂纹萌生的主要驱动力。根据形成机理的不同，裂纹的种类可分为液化裂纹、凝固裂纹以及再热裂纹，再热裂纹可进一步分为应变时效裂纹和延性失塑裂纹。
图1 L-DED增材Mar-M247 合金中的液化裂纹
图2 L-PBF制造CM247LC 合金中的凝固裂纹以及不同合金的凝固开裂指数（SCI）
图3 L-PBF制造CM247LC合金中的应变时效裂纹和不同合金的应变时效开裂敏感性
图4 L-PBF制造CM247LC 合金中延性失塑裂纹形貌
2 裂纹抑制方法
L-PBF的主要参数包括激光功率、扫描速度、粉末粒度以及扫描策略等。优化工艺参数，减少打印过程中的应力集中，是防止开裂最常用、最便捷的方法。调整扫描策略，降低打印过程中的残余应力是解决开裂问题的有效途径之一。
图5 L-PBF制备 CM247LC 合金时体积能量密度与缺陷形成之间的关系
图6 激光扫描策略
热场是提高激光增材制造沉积效率和工艺稳定性最常用的辅助能量场，已被证明是降低热打印过程中的热应力和抑制裂纹的有效方法。热场辅助是无裂纹增材制造Mar-M247和CM247LC合金的一种有效方式，其原理是高温热场可降低增材制造过程中沉积样品的温度梯度以及γ′相的析出速率，从而减小热应力和裂纹敏感性。但对于L-PBF工艺来说，外加热场存在一定局限性，由于预热温度会随着打印高度的增加而迅速下降，因此并不适合制造大尺寸成形件。
图7 外加热场辅助L-DED熔覆Mar-M247合金
在增材过程中施加外力，引起前序沉积层发生塑性变形，可有效消除气孔、裂纹等缺陷，典型方式有轧制、机械冲击强化以及激光冲击强化。
图8 激光冲击强化辅助L-PBF制备的CM247LC 合金
1.裂纹 2.3D LSP激光 3.SLM激光 4.SLM打印层 5.裂纹闭合 6.热量引入 7.粉末床
磁场辅助作为一种清洁、高效以及非接触的加工方法，在金属铸造中广泛使用，可有效抑制铸造缺陷的生成，其影响机理是通过洛伦兹力引起的磁流体效应和由磁力引起的磁化效应不断搅动熔池，产生更多的异质形核点，改善合金凝固方式。SEIDEL A等研究发现，在L-DED增材Mar-M247合金过程中，通过外加磁场虽然能够抑制凝固裂纹的形成，但仍无法完全抑制基材上生成液化裂纹，见图9。主要原因是磁流体动态修正诱导激光生成的熔池产生马兰戈尼对流，促进熔池的凝固方式由柱状晶转变为等轴晶，从而抑制凝固裂纹生成，但激光照射到基材上产生的高温还是会导致基材晶界上的低熔点相溶解形成液膜，液膜在残余应力作用下形成液化裂纹并扩展。
图9 外加磁场辅助L-DED制备的CM247LC合金
在增材制造高温合金成分设计方面， ZGH451-1合金的开发证明了合金成分设计的可行性，或将解决激光增材制造高性能镍基高温合金开裂敏感性高的问题。
图10 L-PBF和L-DED制备的ZGH451-1高温合金的力学性能
近年来，金属基复合材料增材制造的研究备受关注。通过机械球磨等方式将纳米异质颗粒引入到增材粉末中，纳米异质颗粒能够降低激光增材制造过程中的形核势垒，促使熔池凝固方式从柱状晶向等轴晶转变，从而提高裂纹萌生的应力阈值。
【主要结论】
在过去的几十年里，激光增材制造可焊性好的高温合金在能源动力领域的应用中取得了重大进展，被广泛用于制造燃料喷嘴、高温涡轮叶片以及换热器等部件。但针对可焊性差的高温合金，尚不具备普适性。本综述以高裂纹敏感性的Mar-M247和CM247LC为对象，介绍了其在激光增材制造过程中的开裂机制和裂纹类型，包括液化裂纹、凝固裂纹、应变时效裂纹和延性失塑裂纹。总结了一系列裂纹抑制方法，如参数优化、外场辅助以及材料改性。
未来，通过L-PBF制造Mar-M247和CM247LC合金的零部件，参数优化仍是最直接的裂纹抑制方法。然而，难焊型高性能高温合金的工艺窗口狭窄，影响参数众多，优化难度大。因此，必须借助更为先进的参数统计方法用于快速筛选出合适的加工参数，如支持向量机、响应面和Doehlert设计等。高数值零部件的维修仍将是L-DED的关键战略应用，虽然已经证实基材预热可以有效降低热应力。抑制裂纹生成，但预热方式基本都是通过电磁感应，针对结构复杂、空间位置受限的高温部件（如多连体高温涡轮叶片），如何均匀受热修复区具有很大的挑战性。通过对预热温度及应力状态更为深入理解，采用更具灵活性的高能束同步预热（电子束、激光以及电弧）方式会成为更优选择。兼具优异高温性能和低裂纹敏感性的适合激光增材制造的高性能高温合金新材料的成分设计依然是该领域的重要发展方向。近些年，人工智能发展已赋能材料开发领域，也将加速高性能可打印高温合金的研发工作。
【文章来源】
特种铸造及有色合金2024年第44卷第8期，本期特色专题：一体化压铸
欢迎引用！
【引用格式】
中文：李金祺, 裴玉冰, 陈泽勇, 等.激光增材制造Mar-M247和CM247LC高温合金抗开裂行为研究进展[J].特种铸造及有色合金，2024，44（8）：1077-1082.
英文：LI J Q, PEI Y B, CHEN Z Y,et al.Research progress in cracking-resistance of laser additive manufactured Mar-M247 and CM247LC superalloys[J].Special Casting & Nonferrous Alloys，2024，44（8）：1077-1082.
编辑/排版：江姗
校对：刘晨辉
审核：张正贺