GH4099 镍基高温合金是一种典型的沉淀强化合金，其中γ′相，即γ′-Ni3(Al,Ti)，为主要析出相，起强化作用。合金中含有19%(质量分数)的Cr 元素使得其具有很好的耐腐蚀性能[1]，同时由于Co、Mo、W元素固溶强化作用，GH4099 合金具有优异的热稳定性，不仅能够在800～900 ℃下稳定使用，在1 000 ℃下也能短暂使用， 在航空航天和核工程等领域得到广泛应用[2-5]。近年来随镍基高温合金部件轻量化、高可靠性、构件成形一体化等方面需求的日益增加，传统成形工艺已经无法适应实际生产[6]，激光选区熔化(selective laser melting，SLM)技术为GH4099 合金零件生产难题提供了解决方案。
激光选区熔化是常见的增材制造技术之一，适用于复杂结构零件一体化成形， 材料利用率高、尺寸精度高、加工余量小，同时由于其独特的循环加热、快速冷却等特点，成形工件能够获得独特的微观组织和力学性能，具有良好的发展前景[7-8]。 研究人员针对SLM 成形GH4099 合金进行了很多研究。潘维等[9]发现SLM 成形GH4099 合金中存在大量位错亚结构及亚结构界面处的细小碳化物，这些非平衡态组织对合金起强化作用，使其硬度可保持在300 HV。 Zhang 等[10]发现提高激光扫描速度使熔池中柱状晶向等轴晶转变，相应织构强度降低，同时在高扫描速度下，凝固速率的增加会导致晶粒细化。
目前激光选区熔化技术是常见的GH4099 镍基高温合金成形方式，但依旧有一些局限性亟待解决[11]。根据之前的研究，SLM 成形合金微观组织由沿沉积方向外延生长的柱状晶构成，强织构的存在导致严重的各向异性，进而导致力学性能的各向异性[1,12-14]。Liu 等[15]对SLM 成形GH4099 合金沿水平和沉积方向进行室温拉伸，发现沉积方向的屈服强度和断裂强度都低于水平方向， 性能存在明显各向异性。Zhang 等[12]发现SLM 成形GH4099 合金室温拉伸水平方向断裂强度和屈服强度分别比沉积方向大116 和101 MPa，而伸长率则比沉积方向低9.2%。李范等[5]经实验发现SLM 成形GH4099 合金强度水平方向整体优于沉积方向，断裂强度和屈服强度分别相差144 和37 MPa，而水平方向和沉积方向伸长率分别为29%和34%，沉积方向表现出更优的断后伸长率。 综上所述，SLM 成形GH4099 合金的力学性能方向性差异通常表现为水平方向的强度高于沉积方向，而沉积方向拥有更高的断后伸长率。
对于常应用于航空航天和发动机部件的镍基高温合金， 力学性能是评估其工作能力的重要指标。 近年来国内对于激光选区熔化成形GH4099 合金主要集中在工艺参数优化和后续热处理等方面，对于沉积态试样微观组织和力学性能的研究较少。本文以沉积态SLM 成形GH4099 合金为研究对象，对其不同方向的微观结构和力学性能进行表征与检测，分析其形成原因和变形机制相关性，建立组织-性能之间的理论联系， 所获得的结果有助于更深入地了解微观结构和力学性能， 为后续相关研究及应用提供参考。
1 实验材料与方法
1.1 实验材料
实验所用原料为GH4099 合金粉末，其成分见表1。粉末形貌如图1 所示，粉末整体呈球形，表面光滑，球形度高，含有少量卫星颗粒，经统计所得粒径集中在25～45 μm。 激光功率300 W，扫描速率1 200 mm/s，扫描间距0.075 mm，铺粉厚度0.04 mm。
图1 SLM 成形粉GH4099 合金粉末原料：(a)SEM 谱；(b)粉末粒径范围
Fig.1 Morphology of the GH4099 alloy powder:(a)SEM micrograph;(b)distribution of powder sizes
表1 GH4099合金粉末化学成分
Tab.1 Composition of the GH4099 alloy powder(mass fraction/%)
ElementAlCoCrMoTiWNi Content1.975.96 16.65 4.031.216.42Bal.
1.2 组织表征及性能分析
使用电火花线切割制取样品，在试样水平方向和竖直方向(沉积方向)分别取样，选择待观察面用砂纸(240、400、600、800、1 000、1 200、1 500、2 000 目)进行机械打磨，随后使用二氧化硅金相抛光液(1.0、0.5 μm)在抛光机上进行机械抛光。将抛光后的样品进行腐蚀， 腐蚀液成分为2 mL HF+20 mL HNO3+76 mL H2O+100 mL HCl，借助光学显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)观察试样内部显微组织，扫描电镜型号为Merlin Compact 型蔡司场发射扫描电镜和日立SU5000扫描电镜，并利用能谱仪(EDAX)进行波普分析。EBSD样品需用70%H3PO4+30%H2O(体积分数)电解抛光液在5 ℃下进行电解抛光，借助SUPRA55 ZEISS 型扫描电镜对沉积试样进行EBSD 晶体取向分析，利用AztecCrystal 后处理软件提取晶体学信息。 在室温环境下对样品进行拉伸性能测试， 拉伸试样规格和取样位置如图2 所示， 所用设备为Instron 5569型电子万能试验机，拉伸速率1 mm/min。 之后通过扫描电镜对断口进行表征。
图2 GH4099 拉伸试样：(a)拉伸试样示意图；(b)拉伸试样截取示意图
Fig.2 GH4099 tensile test samples:(a)schematic diagram of the tensile test samples;(b)schematic diagram of the tensile test samples
2 实验结果及讨论
2.1 显微组织
使用OM 和SEM 对沉积态试样沉积方向水平方向进行观察，如图3 所示，试样沉积方向看到明显的熔池结构，晶粒沿沉积(XOZ)方向穿层生长，不同层间晶粒取向发生较大变化。 这种独特特征是由SLM 激光逐层扫描、粉末逐层进行堆积的制造方式产生的。 在水平(XOY)方向上可以看到同一沉积层内的熔池结构相互平行，结构与激光扫描轨迹相对应，层与层之间冶金结合能力较好，熔道之间彼此搭接相连，形成致密组织。此外，在SEM 图像中观察到晶粒内部存在尺寸较小的亚结构，这与SLM 过程中拥有的极快的冷却速率(106～108 K/s)和凝固速率有关[16]。晶粒亚结构存在两种形态，即胞状枝晶和树枝晶，对于成型样品的不同方向，两种枝晶结构含量存在差别，水平方向主要为胞状枝晶，而沉积方向则存在更多树枝晶。图4 为沉积态试样XOZ 方向的高倍SEM 像，通过此图像能够清晰观察到胞状枝晶和树枝晶亚结构形貌。
图3 沉积态SLM GH4099 合金形貌：(a)OM 图；(b)SEM 图
Fig.3 Metallographic morphology of the as-deposited SLMed GH4099 alloy:(a)OM micrograph;(b)SEM micrograph
图4 SLM GH4099 合金微观组织
Fig.4 Microstructure of the SLMed GH4099 alloy
为进一步探究SLM 成形的元素偏析情况，从样品XOY 方向取样进行分析，所得SEM-EDS 图谱如图5 所示。从图中可以看出，C 元素在枝晶间大量富集，Al 元素枝晶间含量略高于枝晶内， 但含量分布相对均匀，而Cr 元素在枝晶间的含量低于枝晶内，根据之前的研究推测枝晶间有小尺寸碳化物存在[9]。 综合上文显微组织观察， 本实验沉积态GH4099 合金内无明显强化相存在， 这是由于在SLM 成形过程中， 由于极端的冷却速度导致合金化元素固溶于γ相基体中，分布较为均匀，无法富集析出。
图5 SLM GH4099 合金元素分布：(a1～a4)胞状亚结构；(b1～b4)树枝状亚结构
Fig.5 Elemental distribution of SLMed GH4099:(a1～a4)cellular structure;(b1～b4)dendrite structure
2.2 晶体取向
为分析晶粒结构和取向， 对试样水平和沉积方向进行EBSD 检测。图6a 为GH4099 高温合金试样的反极图(inverse pole figure，IPF)，能够显示出晶粒的分布和尺寸的差异[10]。 从IPF 中可以观察到合金由沿＜001＞取向优先生长的柱状晶构成，这是常见的SLM 成型晶粒取向[16-18]，晶粒尺寸相对差别较大，大尺寸晶粒和小尺寸晶粒同时存在。这是由于SLM逐层扫描策略导致先前沉积层中晶粒的连续重熔和快速冷却， 熔池中现有晶粒的生长方向受热扩散方向的控制。水平方向能够观察到清晰的熔池结构，熔池中晶粒尺寸较大， 边界处则由尺寸较小的等轴晶粒组成，细小的等轴晶包裹着熔池内的粗晶粒，形成可观察的整齐排列的熔池结构。
图6 SLM GH4099 合金EBSD 分析：(a)IPF 图；(b)KAM 图；(c)大小角度晶界图
Fig.6 EBSD analysis of SLMed GH4099 alloy:(a)IPF map;(b)KAM map;(c)GB map
图6b 为沉积态SLM 成形GH4099 的核平均取向差(kernel average misorientation,KAM)分布图谱。KAM 值表示材料中某一点与其周围相邻点之间的取向偏差均值， 反映了晶体材料在局部区域的取向变化程度， 能够定量表征样品中位错的密度和分布状态[19]。 根据KAM 图，试样中存在沉积态，试样内部存在大量位错缠结，这是SLM 快速凝固过程中产生的[20]。在SLM 过程中，合金受到反复加热和冷却，应力无法通过晶粒生长释放， 合金内部大量残余应力聚集，诱导高密度位错生成。观察到水平方向位错呈随机分布，竖直方向位错则沿沉积方向规律分布，分布状态存在一定各向异性。图6c 为大小角度晶界图，可以看出沉积态样品中有大量小角度晶界存在，其位置与上文位错集中区域相对应。 图中含有少量红线表示的60°特殊晶界， 说明沉积态试样中有孪晶的存在。 根据先前的研究， 孪晶对于合金力学性能具有一定的影响， 但是在本研究中对性能各向异性影响不大[1]。
2.3 力学性能
对沉积态试样进行多组常温拉伸实验， 图7 为其水平和沉积方向的拉伸应力应变曲线。 试样水平方向屈服强度为676.7 MPa，断裂强度为923.72 MPa，伸长率为21.77%； 竖直方向屈服强度为605.33 MPa，断裂强度为852.96 MPa，伸长率为32.36%。 水平方向的屈服强度和断裂强度都明显高于竖直方向，而水平方向的伸长率较沉积方向差，存在明显各向异性。
图7 SLM GH4099 合金工程应力-应变曲线
Fig.7 Tensile engineering strain-stress curves of SLM GH4099 alloy
2.4 断口分析
图8 为拉伸断口SEM 图像，从图中可以看出，两个方向的断口形貌较为相似， 在低倍镜下观察其中有少量微孔存在， 但由于气孔数量较少， 直径较小， 因此对接头力学性能影响不大。 观察到水平方向上存在明显高耸的脊， 而沉积方向拉伸的断口相对更为平坦，这与试样微观组织形貌相对应。在高倍镜下观察可看到断口中都有韧窝存在， 其中沉积方向部分区域韧窝尺寸明显大于水平方向。
图8 SLM GH4099 合金拉伸断口SEM 谱：(a～c) 水平方向；(d～f)沉积方向
Fig.8 Tensile fracture of the SLMed GH4099 specimen:(a～c)horizontal specimen;(d～f)vertical specimen
2.5 各向异性分析
对于沉积态GH4099 合金，元素分布较为均匀，无明显存在的强化相和晶间脆性相， 因此其力学性能的各向异性是水平和沉积方向方向上微观组织的差异导致的[12]。 高长宽比的晶粒通常会导致金属材料的塑性变形存在各向异性，当沿不同方向加载时，材料的变形行为会有所不同[21]，但是变形机制保持一致。当沿水平方向拉伸时，更多的晶界垂直于拉伸方向，晶界会阻碍位错的运动，导致应力集中在晶界附近，裂纹沿晶界扩展。不同方向力学性能差异可以利用Hall-Petch 公式进行分析[15]：
式中，σ 为抗拉强度；σ0 为镍单晶的屈服强度；ky 为晶界常数；dm 为拉伸方向上的晶粒尺寸。 对于镍基高温合金，ky 的值为750 MPa·μm-1/2[22]。 由此晶界强化效果可以表示为：
从式(2)中可以看出，材料屈服强度与拉伸方向晶粒大小呈线性负相关。 晶粒大小越小， 则晶界数量越多，大量存在的晶界对位错运动起阻碍作用，从而提升合金抵抗塑性变形的能力， 使得合金表现出更高的强度和更差的塑性。 对于SLM 成形合金，由于其微观结构由沿沉积方向外延生长的柱状晶粒构成，水平方向的晶界数量更多，因此强度较低。根据统计获得水平和沉积方向平均晶粒尺寸大小分别为19.84、44.19 μm， 代入公式得到水平方向晶界强化效果为168.38 MPa，沉积方向为112.82 MPa，水平方向较沉积方向高55.56 MPa.
此外， 合金强度的方向性差异也可以通过位错强化作用来解释。 当内部位错密度较高时， 位错运动会发生相互阻碍，使材料强度升高，这种强化机制被称为位错强化。 位错强化效果可表述为[23]：
式中，α 为常数；G 为基体剪切模量；b 为基体柏氏矢量；ρ 为位错密度。 对于FCC 结构的镍基高温合金，α=0.2[24]，G=81 GPa[10]，b=0.256 nm[10]。 观察到位错强化效果随位错密度升高而增加， 位错强化主要通过几何必要位错(geometrically necessary dislocations，GND)密度表示，可以根据EBSD 数据获得平均GND值， 水平方向密度ρGND=1.1×1014/m2， 沉积方向密度ρGND=0.78×1014/m2，将数据带入公式得到两个方向位错强化效果分别为43.50、36.63 MPa，得出水平方向位错强化效果优于沉积方向，差值为6.87 MPa。
根据计算结果， 晶界强化与位错强化对沉积态GH4099 合金不同方向屈服强度贡献计算值的差值为62.43 MPa，接近于实验值。
沉积态GH4099 合金塑性各向异性也可以通过Schmid 因子来进行分析。 Schmid 因子是表征合金滑移系启动难易程度的重要参数， 其数值与塑性变形能力呈正相关，即Schmid 因子越高，晶粒滑移越容易发生，合金拥有更好的塑性。 对于面心立方(FCC)结构的GH4099 合金，其主要滑移系为{111}[110][25]，图9a 和b 分别为沉积态GH4099 合金在水平和竖直方向上基于{111}[110]滑移系计算的Schmid 因子分布，图9c 为对应的Schmid 因子累积分布。分析表明，当加载方向沿沉积方向时，高Schmid 因子区域占比显著高于水平方向， 这表明沉积方向变形时滑移系更易激活，从而使合金展现出更好的塑性。
图9 SLM GH4099 合金Schmid 因子图：(a)水平方向；(b)竖直方向；(c)Schmid 因子累积分布
Fig.9 Schmidt factor mapping of the SLM GH4099 sample:(a)horizontal direction;(b)vertical direction;(c)Schmidt factor distribution
3 结论
(1)沉积态SLM 成形GH4099 合金主要由γ 相基体组成，含有少量碳化物，有元素偏析存在。
(2)晶粒形貌存在各向异性，合金由沿＜001＞取向优先生长的柱状晶构成， 这是成形过程中晶粒沿散热方向生长导致的。 柱状晶内存在细小枝晶。
(3)水平方向屈服强度为676.7 MPa，断裂强度为923.72 MPa，伸长率21.77%；竖直方向屈服强度为605.33 MPa， 断裂强度为852.96 MPa， 伸长率32.36%。 水平方向的屈服强度和断裂强度都明显高于竖直方向，而水平方向的伸长率较沉积方向差。
(4)力学性能在水平方向和沉积方向存在各向异性，是晶界强化和位错强化共同作用的结果。
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