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引文格式：
Doğu M N, Ozer S, Yalçın M A, et al. Effect of solution heat treatment on the microstructure and crystallographic texture of IN939 fabricated by powder bed fusion-laser beam[J]. Journal of Materials Research and Technology, 2023, 24: 8909-8923.
Doğu, Merve Nur, et al. "Effect of solution heat treatment on the microstructure and crystallographic texture of IN939 fabricated by powder bed fusion-laser beam." Journal of Materials Research and Technology 24 (2023): 8909-8923.
Doğu, M. N., Ozer, S., Yalçın, M. A., Davut, K., Bilgin, G. M., Obeidi, M. A., ... & Brabazon, D. (2023). Effect of solution heat treatment on the microstructure and crystallographic texture of IN939 fabricated by powder bed fusion-laser beam. Journal of Materials Research and Technology, 24, 8909-8923.
背景简介
由镍基高温合金制成的航空航天部件，例如涡轮叶片中的冷却通道，由于其复杂的几何形状，通常受到传统制造方法的限制。由于冷却速度慢，铸造材料中可能出现一些不需要的微观组织特征，包括合金元素的宏观偏析和不可控的晶粒长大。近年来，激光束粉末床熔化(PBF-LB)作为一种众所周知的金属增材制造(AM)技术，在各个行业中都受到了广泛的关注。PBF-LB方法基于三维计算机辅助设计(CAD)模型数据，利用聚焦激光束逐层熔化粉末。该方法通过在单一步骤中制造具有复杂几何形状的功能性金属部件，从而消除装配操作，提高产品质量。与传统制造方法相比，在设计自由度、净成形能力、增加部件寿命以及减少材料浪费和模具成本方面具有广泛的优势。
然而， PBF-LB方法制备的材料微观结构和性能与传统的材料有很大的不同。因此，应用于常规生产的IN939的标准热处理可能无法充分改善PBF-LB制备的材料的性能。IN939典型热处理程序包括固溶热处理和时效处理。固溶热处理通常在高于γ'相固溶温度以上进行，以满足合金元素在整个固溶体中均匀分布。此外，TCP(Topologically close-packed，拓扑密堆相)相的溶解是时效步骤另一个重要问题，能够有效提高力学性能。目前的文献中，仍缺乏对固溶热处理部件的微观组织、晶粒形貌和晶体织构的详细研究。此外，针对PBF-LB法制备的IN939的再结晶现象和晶粒生长动力学的研究有限。因此，本研究旨在研究四种不同温度(1120、1160、1200和1240℃)下进行的固溶热处理对PBF-LB方法制备的IN939样品的微观组织、再结晶和织构的影响。
成果介绍
（1）图1显示了固溶热处理样品在两个观察方向上的光学图像。对于SHT1120样品，在制备样品中观察到熔池和扫描路径的痕迹仍然存在，这意味着该固溶温度不足以溶解初始的微观组织（图1a和b）。随着固溶热处理温度升高至1200℃，熔池和扫描路径形貌消失，转变为XZ面（平行于打印方向）柱状晶粒和XY面（垂直于打印方向）等轴晶粒的混合体。另一方面，SHT1240样品在两个观察方向上都观察到较大的等轴晶粒，表明大部分晶粒在再结晶后开始长大，并通过形成平均尺寸为32 μm的等轴晶粒来消除微观组织的各向异性。研究从相应的EBSD数据中获取样品的极图(PFs)来估计晶体取向（图2），织构分析表明，<001>//BD 织构成分在制备样品和固溶热处理样品中均占主导地位。此外，PBF-LB制备样品的最大强度值分别确定为IPFs的2.875和PFs的2.989。对比固溶热处理样品，IPFs（逆极图）和PFs的最大强度值随着固溶热处理温度的升高而增大。
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图1 固溶热处理样品分别在XZ和XY平面的光学显微镜图像：(a, b) SHT1120，(c, d) SHT1160，(e, f) SHT1200，(g, h) SHT1240
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图2 PBF-LB制备和固溶热处理的IN939样品在XZ平面上的IPF和PF图
（2）如图3和图4所示，固溶热处理后，由于PBF-LB工艺的高温梯度和快速凝固速率，在制备样品中形成了更高的低角度晶界（LAGBs）和几何必须位错（GNDs）密度，随着固溶热处理温度的升高，它们的分数逐渐降低。此外，内核平均取向差（KAM）和晶粒取向分布（GOS）图的分析结果表明，在1160℃温度下进行固溶热处理时，试样开始出现第一个再结晶晶粒（图3h），随着固溶热处理温度的升高，再结晶晶粒的比例逐渐增加。
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图3 PBF-LB制备和固溶热处理后的IN939样品在XY平面上的 (a-e) KAM和 (f-j) GOS图.png)
图4 (a) PBF-LB制备和固溶热处理的IN939样品在XY平面上的GND和(b)取向角分布
（3）表1展示了制备固溶热处理样品的平均维氏显微硬度值。当材料进行固溶热处理后，试样的硬度值增加。由于在所有固溶热处理温度下均观察到球状的γ'相（图5）， 强化相的存在提升了材料的硬度值。在1120℃固溶热处理时，XZ和XY平面的硬度峰值分别为531±17 HV和503±14 HV。此外，硬度值随着固溶热处理温度的升高而降低，这可以归因于平均晶粒尺寸的增大(表2)和GND密度值的减小(图4a)。
表1 PBF-LB制备和固溶热处理IN939样品的平均维氏显微硬度值
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表2 PBF-LB制备和固溶热处理的IN939样品的平均晶粒尺寸直径
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图5 固溶热处理样品的SEM图像：(a, b) SHT1120 ，(c, d) SHT1160，(e, f) SHT1200和 (g, h) SHT1240分别在XZ和XY平面上，以及(a1, c1, e1, g1)固溶热处理样品的放大图像，显示出γ'相和MC型碳化物
致谢
本研究源于爱尔兰科学基金会（SFI）16/RC/3872 的研究资助，并由欧洲区域发展基金（European Regional Development Fund）共同资助。感谢Atılım大学（土耳其）金属成型卓越中心提供的SEM和EBSD设备支持。本文通讯作者：Merve Nur Doğu（Form Advanced Manufacturing Research Centre, Dublin City University, Dublin, Ireland）。
本期小编：郑聪祥（整理）
程 航（审核）
闵 琳（发布）
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