深度揭示AM制造凝固亞結構的氫脆機理！
2021-12-11 來源：GS_Metals
Inconel 718是一種沉淀強化的鎳基高溫合金，由于其優異的高溫強度和耐腐蝕與氧化性能的良好結合，已被用于石油和天然氣工業、核反應堆、燃氣輪機和航空發動機。Inconel 718的機械性能很大程度上取決于熱處理過程中γ?（Ni3(Al,Ti), L12）和γ??（Ni3Nb, D022）相的析出。由于Inconel 718在工業應用中的金屬部件（例如渦輪盤、葉片、緊固件）需要高精度和復雜的幾何形狀，因此增材制造（AM）是一種很有前途的技術。AM過程中高的激光能量密度和快速冷卻導致了伴有Laves相和Nb、Ti偏析的凝固亞結構的形成，卻抑制γ?和γ??相的析出。因此，通常需要對打印態試樣進行熱處理以析出沉淀強化相。
由于Inconel 718的結構部件可能會暴露于各種環境下的氫中（例如油井酸性環境中的H2S、核電站水反應堆中溶解的H和航空發動機儲存的H燃料），探索H對AM制造Inconel 718合金機械性能的影響至關重要。盡管已經對AM制造的Inconel 718進行了一些H脆化（HE）研究，但仍然缺乏凝固亞結構對合金HE行為影響的系統理解。已有的研究發現AM制造會改變H的溶解度（和/或擴散率），從而改變合金中的HE行為。為了闡明這種現象的內在機理，以及深入理解該現象對合金力學性能的影響機制，近日，韓國忠南大學的Dong-Hyun Lee（通訊作者）聯合新加坡南洋理工大學和德國馬普所，共同研究了兩種不同的熱處理后的AM制造Inconel 718 樣品，他們分別具有和不具有凝固亞結構，通過一系列拉伸試驗檢查了凝固亞結構對HE敏感性的影響。相關成果以“Hydrogen-assisted failure in Inconel 718 fabricated by laser powder bed fusion: The role of solidification substructure in theembrittlement”為題發表在期刊Scripta Materialia。
Inconel 718是采用Aconity Mini制造的激光粉末熔化（LPBF）機打印的，具體打印參數為：層厚30 μm、打印間距75 μm、激光功率230 W和掃描速度1000 mm/s，打印成一個20×60×30 mm3的單塊。LPBF樣品在Ar氣下進行了兩種不同熱處理：（i）直接時效（DA）：720°C保溫8 h，然后以50 °C/h的速度進行爐冷，然后在620 °C保溫8 h，然后空冷至室溫; （ii）均勻化+時效（HA）：在 1150°C保溫2小時，然后進行DA處理。之后采用掃描電鏡和背散射電鏡對微觀組織進行觀察。拉伸試樣是從平行于打印方向的平面上切割出來的，在室溫下使用0.5 mol/L H2SO4溶液中的2 g/L CH4N2S進行電化學充氫。以20 mA/cm2的恒定電流密度下進行H充電24h。在H充電后30min內開始使用配備激光引伸計的萬能試驗機Z250（Zwick GmbH & Co., Germany）以進行拉伸試驗。
DA和HA樣品的微觀結構表征如圖1所示。從DA樣品獲得的反極圖（IPF）顯示，晶粒平行于構建方向，平均晶粒尺寸約為120 μm（圖 1a）。圖1b顯示了 DA樣品的ECCI圖像，揭示了在單個晶粒內部形成的非常精細的凝固胞狀結構。此外，塊狀Laves相在晶胞邊界處析出（圖 1b）。與打印態樣品不同，在DA處理過程中，納米級δ、γ?和γ??相已從γ基體中沉淀出來。有趣的是，這些沉淀物更集中在晶胞邊界處（圖 1c），這可能是由于那里的Nb和Ti偏析所致。相比之下，HA樣品的IPF圖清楚地顯示了完全再結晶的晶粒，平均晶粒尺寸約為147 μm（圖 1d）。圖1e和1f是相應的ECCI圖像，顯示在晶界（GBs）處存在少量相對較粗的δ相和基體中存在超細γ?和γ??相。因此，HA處理成功地使LPBF誘導形成的凝固胞狀結構均勻化，并導致主要強化γ?和γ??相的均勻分布。
圖1 (a-c) DA和(d-f)HA樣品的微觀結構分析結果：(a)和(d)顯示了EBSD極圖；(b-c)和(e-f)顯示ECCI圖像
DA和HA樣品的代表性應力與應變響應如圖2a所示。在充氫之前，與HA 樣品相比，DA樣品表現出更高的屈服強度σy（~1215 ± 15 MPa），但斷后伸長率 εf,0（~8 ± 2 %）較低（σy ∼1098 ± 8 MPa和εf,0 ∼ 14 ± 2 %)，這可能是由于DA樣品中存在凝固的胞狀結構。正如預期的那樣，兩個樣品的延展性都因充氫而顯著降低。HA樣品的εf,H/εf,0比率（其中εf,H和εf,0分別是充H樣品和不充H樣品的斷裂總伸長率）大于DA樣品，即HA樣品比DA樣品更不易受HE影響。拉伸測試的DA和HA樣品的斷口圖顯示在圖2b-2e中。由于H高度集中在帶電表面附近，因此斷層主要集中在邊緣附近的區域，如圖2a的插圖所示。對于這兩種樣品，在充H樣品的邊緣附近（圖 2c和2e）中觀察到脆性斷裂特征，而在未充H樣品中則以韌性斷裂為主（圖 2b和2d）。 H滲透深度可以通過
粗略估計，其中DH是H的擴散系數，t是H充電時間。取Inconel 718在室溫下的DH值為~1.4 × 10−15 m2/s，24 h充氫后的H滲透深度估計為~11 μm。由于受H影響的脆性區的深度與估算的H滲透深度相似，我們可以得出結論，兩個樣品的H滲透都是通過純晶格擴散發生的。對于DA樣品的受H影響的脆性區，脆性斷裂的痕跡優先以細胞狀模式排列，方向因晶粒而異（如圖2c中的藍色箭頭所示），且Laves和δ相經常被觀察到。然而，在HA樣品中，H影響的脆性區表現出混合的晶間和穿晶斷裂模式，并且在斷裂表面上經常發現撕裂脊（圖 2e）。
圖2 DA和HA樣品的拉伸實驗結果：(a)工程應力-工程應變曲線，插圖顯示了斷層的位置；(b-e)充氫和不充氫的樣品的拉伸斷裂面的SEM圖像
為了進一步深入了解H致失效行為，對拉伸實驗后形成的H輔助裂紋進行了EBSD和ECCI表征。請注意，只有充氫樣品在拉伸試驗后顯示出亞表面裂紋，因此我們將這些裂紋表示為“H輔助”。圖3為經拉伸試驗的DA和HA樣品橫截面區域形成的H輔助裂紋圖像，其中確定了三類裂紋；即晶間（IG）裂紋、混合晶間和穿晶（IG+TG）裂紋和穿晶（TG）裂紋。如圖3a和3c所示，在兩個樣品中經常觀察到IG裂紋，其中H輔助裂紋僅沿GB成核和擴展。在某些情況下，H輔助裂紋在GB處開始，然后通過γ基體的晶粒擴展。這些裂紋表示為 IG+TG裂紋（圖3b和3d）。此外，在HA樣品中，存在另一種H輔助開裂模式，即純TG裂紋，裂紋僅沿晶粒內的{111}滑移面成核和擴展。
圖3 (a-b) DA和(c-e) HA樣品中的H輔助開裂行為：(a,c) IG開裂，(b,d) IG+TG開裂和(e) TG 開裂
兩個不同樣品的H輔助裂紋的比例（特定類型裂紋的數量除以總裂紋數量）如圖4所示。兩種樣品的大部分H輔助裂紋都是IG和IG+TG裂紋，但僅在HA 樣品中觀察到純TG裂紋。因此，我們可以得出結論，H輔助IG開裂解在DA和HA樣品中占主導地位。據報道，傳統Inconel 718中的H輔助開裂可以通過IG或TG開裂發生，并且裂紋萌生和擴展與變形過程中形成的平面位錯滑移線密切相關。在HA樣品中，廣泛形成了幾組位錯滑移線，更重要的是，在GB處觀察到局部高應變，尤其是在滑移線和GB交叉處。相比之下，在DA樣品中，在H輔助的IG裂紋周圍沒有可見的位錯滑移線（圖 3b），表明這些裂紋在沒有滑移定位的幫助下發生。在此基礎上，我們可以得出結論，在充H條件下，DA 樣品中的GB比HA樣品中的GB更容易開裂，這就是DA樣品顯示更嚴重HE的原因。
圖4 對DA和HA樣品中20多個H輔助裂紋的定量分析。（HAC：H輔助裂紋；IG：晶間裂紋；TG：穿晶裂紋）
圖5a和5b分別顯示了DA和HA樣品的相同Ag飾區域的SEM圖像和相應的ECCI圖像。DA樣品上的Ag顆粒大多沿細胞邊界沉積，而HA樣品上的大部分Ag顆粒是隨機分布的，除了GB的δ相處。這些結果表明，與HA樣品中的GB相比，DA樣品中的細胞邊界（和GB）確實積累了更多的H。基于這些結果可得出結論，DA樣品在H輔助IG開裂中的較高脆性主要歸因于H在胞狀結構邊界（或GB）處的高積累。同時，與DA樣品相比，打印態樣品顯示出高 εf,H/εf,0值（~0.77 ± 0.1）并且大多數Ag顆粒均勻沉積在充H的樣品上，即AM誘導的胞狀結構本身對H吸收、H擴散率或HE的影響可以忽略不計。因此，我們可以得出結論，DA樣品中GB處H的積累主要歸因于高密度沉淀物的存在，而不是胞狀結構本身。
圖5 SEM顯微照片和相應的ECCI圖像(a) DA、(b) HA和(c) Ag 飾的打印態樣品
總之，與HA樣品相比，DA樣品具有更高的強度但對HE的抵抗力較低。與HA樣品相反，DA樣品中的H輔助晶間開裂在沒有滑移定位幫助的情況下發生，表明DA樣品中有高密度沉淀的胞狀結構邊界促進了H輔助開裂。與胞狀結構邊界本身相比，DA樣品中有沉淀物的胞狀結構邊界（和GB）被證明更容易吸收H并因此促進H增強脫聚。這些結果表明，LPBF誘導凝固亞結構中沉淀物的存在會降低 Inconel 718對HE的抵抗力，應通過適當的熱處理來消除。
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