金屬增材制造（AM）是由快速熔化和冷卻而逐層構(gòu)建成新型金屬結(jié)構(gòu)的技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)使得生產(chǎn)復(fù)雜形狀的構(gòu)件比傳統(tǒng)的金屬鍛造或機(jī)械加工有更多的細(xì)節(jié)和更少的浪費(fèi)。常見的 AM 方法包括粉末床融化、直接激光沉積（DLD）和金屬絲電弧 AM。基于粉末的方法多使用直徑約為 20-120μm 的特殊合金的球形顆粒；其中許多都屬于鋁、鈦、鋼和高溫合金家族。
在本案例中，DLD 被用于制造在渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的渦輪葉片的測試試樣。DLD 將激光、粉末顆粒和惰性氣體通過噴嘴引導(dǎo)到基底上空間中的同一點(diǎn)，以此將一種材料包裹到另一種材料上或修復(fù)復(fù)雜的形狀。
圖1. 用于金屬增材制造的直徑激光沉積（DLD）的實(shí)例
渦輪機(jī)中的第一級(jí)轉(zhuǎn)子必須承受發(fā)動(dòng)機(jī)的最高熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，這就是為什么通常會(huì)使用鎳基高溫合金的原因。在這些部件中，抗蠕變和抗疲勞性能尤為重要。本研究中，使用 DLD 制備 718 鎳基高溫合金（含有鐵和鉻元素）來增強(qiáng)奧氏體基金屬 (γ)。
通過添加額外的合金元素，如鈮、鈦和鋁，與鎳結(jié)合形成納米級(jí)的半凝聚沉淀物 [Ni3Nbγ"和 Ni3(Ti,Al)γ']，以此提供較大的抗高溫蠕變和抗疲勞性能。這些樣品分別使用掃描電鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）在微米和納米尺度上進(jìn)行了檢測表征。
表1. 718 合金成分的重量百分比
圖2. 客機(jī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的橫截面；從左到右為：壓縮區(qū)、燃燒區(qū)和高溫渦輪機(jī)
方法
本案例旨在評(píng)估不同激光處理速度下生產(chǎn)的試樣的微觀結(jié)構(gòu)。相比之下，傳統(tǒng)的加工路線可能包括鑄造、鍛造以及多個(gè)熱處理步驟。熱處理的作用是溶解不需要的相，同時(shí)形成所需的 γ" 和 γ 相。使用 DLD 作為替代生產(chǎn)路線，我們希望確定是否形成了所需的相，以及這種方法是否可以用于零件生產(chǎn)、鍍層或修復(fù)。
在這個(gè)試驗(yàn)中使用了三種不同的激光處理速度： 750、1000 和 1250 毫米/分鐘（后文簡稱為慢速、中速、快速）。每個(gè)樣品進(jìn)行樹脂包埋處理，并對(duì)其垂直剖面拋光至鏡面狀態(tài)。使用飛納電鏡全自動(dòng)鋼鐵夾雜物分析系統(tǒng) ParticleX Steel 進(jìn)行手動(dòng)和自動(dòng) SEM 成像。背散射電子（BSE）成像效果與相對(duì)元素序數(shù)有關(guān)，較重的元素更亮，較輕的元素更暗。拍攝的不同激光速度下的 BSD 圖像顯示，慢速處理速度下較亮的相更多。
圖3. 慢速（左）和快速（右）激光處理速度的 BSD 成像
鈮（93）的原子序數(shù)比鎳（59）要大得多，并且在熔化過程中它傾向于偏析。通過 EDS 能譜分析可以確定，圖 3 中最亮的相為碳化鈮（NbC），在較大的 NbC 夾雜物周圍的區(qū)域，基體中鈮的含量也較高。總之，通過背散射成像可以明顯看出，存在三種不同類型的夾雜物。
圖4. BSE 成像在更高的放大倍數(shù)下顯示出不同類型的復(fù)合夾雜物
1. 用掃描電鏡對(duì)微米級(jí)夾雜物做自動(dòng)化定量分析
使用飛納電鏡的 ParticleX Steel 可以很容易對(duì)微米級(jí)夾雜物進(jìn)行自動(dòng)化的定量分析；選擇 BSE 圖像閾值來抓取夾雜物，同時(shí)可以排除基體材料。掃描過程中可以將較暗的夾雜物和較亮的夾雜物同時(shí)識(shí)別出來并做圖像合并。在 13mm2 的區(qū)域內(nèi)，任何直徑大于 2.0μm 的夾雜物都會(huì)被識(shí)別，并分析其形狀、大小和成分特征。圖 5 顯示了快速激光處理速度下，形成的 TiN 和 Al2O3 夾雜物在三元相圖上的分布。這可以解釋為兩種化合物伴生而成，其中綠色的夾雜物含TiN，紅色的夾雜物富含 Al2O3。這兩種類型的夾雜物似乎不受激光處理速度的影響，因?yàn)樗鼈兊臄?shù)量、大小和成分在三個(gè)試驗(yàn)中都差不多。
圖5. 快速激光處理速度樣品的夾雜物成分分布。在 Ti-Al-N 三元相圖中，綠色是富 TiN 相，紅色是富 Al
2O
3 相
另一方面，NbC 夾雜物在慢速激光處理速度中含量更高；在慢速、中速和快速激光處理下，每平方毫米含有的 NbC 夾雜物的數(shù)量分別是：497 個(gè)，3 個(gè)和 10 個(gè)。圖 6 顯示了在慢速和快速激光處理速度下的 NbC 成分分布的三元相圖。這種差異是由于在慢速激光處理速度下，高溫時(shí)間更長，導(dǎo)致鈮發(fā)生過度的偏析。由于偏析時(shí)間較短，中、快激光速度下形成 NbC 夾雜物的數(shù)量相對(duì)較低。
圖6. 慢速和快速激光處理樣品的夾雜物成分分布 Ti-Nb-Al 三元相圖上只顯示 NbC 類夾雜物
還有一些特征可以通過背散射圖像識(shí)別出來，但它們的 EDS 信號(hào)很低，因此未被認(rèn)定是夾雜物。圖 7 顯示了幾個(gè)被認(rèn)定為氣泡或金屬液飛濺形成的空洞。DLD 使用氬氣將金屬粉末輸送到熔體池中，熔體池可能會(huì)形成氣泡。飛濺的金屬液滴也可能被帶入池中，在那里它可能不會(huì)重新融化。通過自動(dòng)掃描統(tǒng)計(jì)空洞的面積，結(jié)果分別為 0.00036（慢速）、0.00014（中速）和 0.00016（快速）。
圖7. 自動(dòng)獲取的空洞 BSE 圖像，大小約 10-40 μm
2. 用透射電鏡定量分析納米級(jí)沉淀物
到目前為止，我們已經(jīng)分析了幾種微米級(jí)的夾雜物和缺陷，但是一些能夠提升強(qiáng)度的納米級(jí)沉淀物仍需進(jìn)行識(shí)別。采用賽默飛 Talos F200X TEM 透射電鏡對(duì)中速激光處理的樣品進(jìn)行了進(jìn)一步測試。正如預(yù)期的那樣，觀測到一些更小的夾雜物，其結(jié)構(gòu)與前述夾雜物類似。
圖 8 展示了一個(gè)核結(jié)構(gòu)，Al2O3 在核心，TiN 和 NbN 隨后在其外部生成，而且在基體中有一些很細(xì)小的 Nb 析出。在更高的放大倍率下，氧化物核心中還含有細(xì)小的 ZrO2 相。
圖8. 左側(cè)的 TEM-EDS 結(jié)果顯示 Nb（紅色）、Ti（藍(lán)色）和 Al（綠色）的分布；右側(cè)顯示 Zr（粉紅色）的分布。該數(shù)據(jù)由曼徹斯特大學(xué)提供
討論
飛納全自動(dòng)鋼鐵夾雜物分析系統(tǒng) ParticleX Steel 對(duì)微米尺度的 NbC、TiN 和 Al2O3 夾雜物，在生產(chǎn)過程中形成的空洞進(jìn)行了定量分析。在 Talos F200X 透射電鏡的高放大倍數(shù)下，觀察到非常細(xì)的非金屬沉淀。圖 9 顯示了 Al、Ti 和 Nb 的疊加 EDS 圖；對(duì)應(yīng)的輕元素（O、N、C）也單獨(dú)顯示出來了。
圖9. TEM-EDS 成分分布圖：Al、Ti 和 Nb（上）以及 C、N 和 O（下）
氮化鈦沉淀使用賽默飛的自動(dòng)化粒子工作流（APW）進(jìn)行了定量分析，APW 可以在短時(shí)間內(nèi)表征納米級(jí)沉淀物的分布。圖 10 和圖 11 表示，在 25mm2 內(nèi)掃描的離子分布圖像和相關(guān)的尺寸分布直方圖。
圖10. 用 APW 方法表征的鈦顆粒的分布
圖11. 由 APW 方法表征的鈦顆粒直方圖
半凝聚沉淀物 Ni3Nb 或 γ" 相的 EDS 定量化分析更具有挑戰(zhàn)性 ，因?yàn)檫@些特征非常細(xì)小，而且 Nb 的濃度要低得多。
圖 12 顯示了 Nb 的 EDS 分布圖，以及通過 AXSIA 進(jìn)行光譜表征圖。后者使用多元統(tǒng)計(jì)方法來確定頻譜圖像中的主成分。AXSIA 圖像上的明亮區(qū)域 Ni+Nb 光譜（與 Ni3Nb 一致）最集中的區(qū)域。
注：黑點(diǎn)對(duì)應(yīng)于不存在 Ni3Nb 的非金屬沉淀
圖12. Nb 的 TEM-EDS 分布圖（上）；Ni + Nb AXSIA 組分分布（下）
另一種確認(rèn)納米沉淀物存在的方法是選定區(qū)域的衍射圖案分析。圖 13 是基體奧氏體結(jié)構(gòu)和 γ"（結(jié)合 γ'）相超晶格反射的衍射圖。
圖13. 透射電鏡衍射圖顯示 γ 矩陣和 γ" 超晶格結(jié)構(gòu)
結(jié)論
通過直接激光沉積的增材制造技術(shù)，得到了鎳基高溫合金試樣。結(jié)合 SEM、TEM、EDS 和衍射技術(shù)，對(duì) 718 鎳基高溫合金在不同激光處理速度下制造的試樣進(jìn)行了詳細(xì)分析。
Talos F200X TEM 顯示了強(qiáng)化相 γ" 相的形成。但是，由于偏析，也形成了不想要的脆性相 NbC，這在慢速激光處理速度試驗(yàn)中更為普遍。
飛納電鏡全自動(dòng)鋼鐵夾雜物分析系統(tǒng) Phenom ParticleX 定量分析了微米級(jí)的 NbC、TiN 和 Al2O3 夾雜物，以及制造過程中形成的空洞。電子顯微鏡提供了多尺度、多模態(tài)的表征，給出了 DLD 金屬增材制造的優(yōu)點(diǎn)和局限性。
