1、引言
鎳基高溫合金已經(jīng)廣泛用于制造航空噴氣發(fā)動機(jī)、各種工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的熱端部件。多孔金屬作為一種新型材料具有很多優(yōu)點(diǎn)，而多孔鎳是一種新型高能量電池材料，具有優(yōu)良的流體透過性能，廣泛應(yīng)用于消音、過濾、催化載體、氫氣發(fā)生器和熱交換器等器材中，同時泡沫鎳又是耐高溫、隔熱、防爆材料生產(chǎn)中不可缺少的原料之一。根據(jù)制備方法的不同，可將多孔金屬材料分為粉末燒結(jié)型、纖維燒結(jié)型、鑄造型、沉積型和復(fù)合型[1]。
目前，國外研究者關(guān)于采用激光增材制造（3D打印）技術(shù)制備多孔金屬材料的研究較多。ＶａｎＢＳ等人[2]采用激光增材制造（3D打印）技術(shù)制備出多孔Ti-6Al-4V合金試樣，研究了實際制備的多孔Ti-6Al-4V合金試樣的孔徑尺寸、孔隙率與預(yù)留孔徑尺寸、預(yù)留孔隙率之間的差別。ＳｈｅｎＹＦ[3]等人采用激光增材制造（3D打印）技術(shù)制備出孔徑尺寸為微米（μm）數(shù)量級且具有藕狀結(jié)構(gòu)的多孔316L不銹鋼，在316L不銹鋼粉末中加入氟硼酸鉀和硼酸作為激光束熔化過程中的造孔劑。沈以赴[4]等人采用激光燒結(jié)方法并通過添加造孔劑來研究多孔鎳及其燒結(jié)性能。陳長軍等人采取3D打印技術(shù)制備了多孔不銹鋼、多孔鉭以及多孔鎂[5-7]，另外對多孔鈦以及多孔鋁也有研究報道[8-15]。采用3Ｄ激光熔融技術(shù)制備多孔鎳及其力學(xué)性能的研究很少有報道。
因此，本文對采用3D打印技術(shù)制備多孔鎳合金開展研究，著重研究激光功率參數(shù)對多孔鎳合金孔隙結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響，并對多孔鎳合金顯微組織與力學(xué)性能之間的關(guān)系開展研究，為3D打印技術(shù)制備多孔鎳合金提供必要的理論基礎(chǔ)。
2、實驗材料及方法
采用鎳鉻粉末作為實驗材料，粉末顆粒呈球形分布，粉末形狀見圖1所示，粉末直徑在50～80μm，粉末化學(xué)成分如表1所示。
多孔鎳制備實驗在Ｆｏｃｕｓ-ＳＤ-ＹＡＧ-500Ｗ激光器上完成，保護(hù)氣體為體積分?jǐn)?shù)99.99％的氬氣。制備過程為計算機(jī)控制模型并編寫程序，如圖2所示，通過激光掃描粉末，層層累加制備出所需幾何形狀的多孔鎳合金，用游標(biāo)卡尺測量試樣的長寬高，計算試樣的體積，然后通過密度計算公式計算多孔鎳合金的密度，最后計算出多孔鎳合金密度與實體鎳合金密度的比值即為多孔鎳合金的孔隙率。
實驗工藝參數(shù)為脈寬2.0ｍｓ、頻率15Ｈｚ，在功率分別為100、110和120Ｗ條件下激光束焦點(diǎn)處進(jìn)行多孔鎳基合金制備。
3、結(jié)果及分析
3.1多孔鎳合金的宏觀形貌及孔隙率
通過層層堆積制備出的多孔鎳合金宏觀形貌圖（見圖3），可以看到通過激光3D打印可獲得具有均勻孔隙的多孔鎳合金。表2為不同功率參數(shù)下多孔鎳合金的平均孔徑和孔隙率概況。由表2可知，隨著激光功率的增加，制備出的多孔鎳合金的平均孔徑逐 增大，但孔隙率卻增大幅度很小。分析認(rèn)為在激光3D打印過程中只有激光功率是變量，而掃描間距是固定不變的，也就是說在本實驗中所選擇的幾組激光功率下，當(dāng)激光能量從100Ｗ到120Ｗ的變化過程中，激光掃描過的粉末熔融寬度越來越小，如果其他參數(shù)不變的情況下，單純從激光能量來分析，激光能量越大，每次掃描所得到的孔棱應(yīng)該越粗，但本實驗得到的結(jié)果恰好相反。
分析表明當(dāng)激光能量為100Ｗ時，似乎所有的粉末都熔融。但此時多孔鎳合金的孔徑和孔隙率都小，說明在100Ｗ的功率下屬于激光燒結(jié)鎳合金粉末，也就是說孔棱并沒有完全熔化。此結(jié)果與后面的壓縮結(jié)果相吻合，此時燒結(jié)制備出的試樣較脆，因此壓縮塑性不好。
當(dāng)功率增加到110Ｗ和120Ｗ時孔隙率基本變化不大，孔徑卻有所變化，這說明當(dāng)功率為110Ｗ時，高斯分布的激光能量中心剛好將粉末完全進(jìn)行熔化，但存在大量的球化現(xiàn)象；而當(dāng)功率為120Ｗ時，激光能量完全將粉末進(jìn)行熔化，球化現(xiàn)象相對較少。因此將激光能量燒結(jié)、熔化粉末及球化的理論結(jié)合起來說明實驗所得的結(jié)果和理論剛好吻合。
3.2多孔鎳合金的組織
圖4為3D打印制備多孔鎳合金的金相照片，熔覆線層層搭接，形貌清晰可見，從圖4（ａ）可以清楚地看出激光連續(xù)掃描軌跡形成了周期性的形貌特征。圖4（ａ）為激光功率
120Ｗ時多孔鎳合金橫截面層層分界面的低倍掃描照片，圖4（ｂ）和4（ｃ）為層間和層層分界面的照片。
從圖4可以看出平均熔池寬度為200μm左右。
從圖4（ｂ）和4（ｃ）可以看到，多孔鎳合金的組織形貌特征主要是由γ-Ｎｉ枝晶以及枝晶之間的共晶復(fù)合組織所組成，其中在熔池最底端細(xì)小枝晶的生長方向主要平行于激光層堆積方向，如圖4（ｂ）中箭頭所示，而熔池的兩端枝晶與熔池圓形切線方向近似垂直。表面存在明顯的重熔區(qū)和非重熔區(qū)的界面，激光掃描區(qū)表面形貌以及重熔區(qū)的表面特征見圖4（ｂ）和4（ｃ）。經(jīng)過激光熔融后，鎳基合金的晶粒變得非常細(xì)小，在重熔區(qū)域表現(xiàn)出明顯的等軸晶或胞狀晶粒特征。圖4（ｄ）為放大的ＳＥＭ組織照片，仔細(xì)觀察皆為細(xì)小的枝晶，且晶粒尺寸非常細(xì)小，達(dá)到納米級別。
激光3Ｄ打印技術(shù)制備的多孔鎳合金的晶粒極度細(xì)化，主要由于激光高能束輻照在鎳基合金粉末的過程是一個極熱極冷的快速加熱和快速冷卻的過程，因此過高的冷卻速度和過冷度是晶粒細(xì)化的主要原因。
理論分析認(rèn)為激光3D打印鎳基合金后，脈沖熔池內(nèi)部的形核控制因子決定了凝固后的組織形態(tài)，即脈沖光斑熔池內(nèi)結(jié)晶方向上的溫度梯度Ｇ和凝固速度Ｒ（即凝固界面在法線方向上的推進(jìn)速率）之比G/R[16]。脈沖光斑熔池不同位置凝固條件不同，最終形成的組織結(jié)構(gòu)不同。分析認(rèn)為，在脈沖光斑內(nèi)部，凝固速率Ｒ趨近于0，使得G/R值非常高，溫度梯度很大，凝固組織為胞狀晶；隨著向光斑外部推進(jìn)，Ｒ逐漸增大，則G/R逐漸減小，溫度梯度減小，平面失穩(wěn)，出現(xiàn)胞狀晶區(qū)與枝晶轉(zhuǎn)變區(qū)以及枝晶形態(tài)的領(lǐng)先相與枝晶間共晶的生長形態(tài)，組織向樹枝晶轉(zhuǎn)變，在表層形成細(xì)小的樹枝晶組織。在激光3D打印的多孔鎳合金的熔池內(nèi)，由于光斑很小，因此組織形態(tài)上差別不大，除1和2區(qū)界面有少量的等軸晶外，其他區(qū)域皆為細(xì)小的枝晶組織。
3.3多孔鎳合金的壓縮性能
圖5為不同激光功率制備出的不同孔隙率的多孔鎳合金的單向壓縮曲線，得出不同功率及孔隙率下多孔鎳合金的抗壓強(qiáng)度分別為536、487以及461MPa，此壓縮結(jié)果可以與前面的孔隙率分析結(jié)果相對應(yīng)。
在相對較小的100Ｗ功率作用下，由于孔隙率相對較小，且理論分析為激光燒結(jié)狀態(tài)，因此表現(xiàn)出多孔試樣的壓縮強(qiáng)度較高，但并不具有明顯的多孔材料壓縮曲線特征即沒有明顯
的孔隙致密化過程。而110和120Ｗ功率制備的多孔鎳合金孔隙率相差不大，壓縮強(qiáng)度也相差很小，此時由于激光能量使得粉末完全熔化，制備出的多孔鎳合金的壓縮曲線具有一定多孔材料特性，即存在一定的壓縮平臺，但整體孔隙率較小，壓縮平臺并不明顯。
圖6為壓縮實驗后多孔鎳合金試樣裂開的斷口掃描電鏡照片，圖6（ａ）表明宏觀斷口表面有明顯的裂紋，可以看到斷面上有撕裂痕跡（圖6（ｂ）、6（ｃ）），沒有明顯的剪切唇區(qū)域，斷裂起源于試樣的內(nèi)部缺陷。微觀斷口顯示，整個斷口表面基本為枝晶組織斷裂，如圖6（ｄ）、6（ｅ），在高倍下可見韌窩和撕裂特征，如圖6（ｆ）。
從以上的壓縮實驗結(jié)果可以得出：當(dāng)功率為100Ｗ時，制備出來的試樣孔隙率小，壓縮時，壓力基本呈直線上升，最終直接將多孔試樣壓裂而斷裂。當(dāng)功率增加到110Ｗ和
120Ｗ時，孔隙率相對增大，在壓縮變形過程中存在較明顯的平臺區(qū)，雖然平臺較小，但說明在壓縮過程中多孔材料發(fā)揮了一定的緩沖作用，也就是吸能的過程，總體實驗可以看出，隨激光功率的增大，能量越高，熔融的和蒸發(fā)掉的鎳合金也越多，因此孔隙率越大，這樣使得多孔鎳基合金的吸能能力和變形能力增強(qiáng)。
4、結(jié)論
（1）采用3D打印激光熔化技術(shù)成功制備出多孔鎳合金，孔隙率為14.68％～18.97％。
（2）3D打印激光熔化技術(shù)制備多孔鎳基合金的微觀組織極度細(xì)小為納米級別，并主要呈現(xiàn)γ-Ｎｉ枝晶，存在少量等軸晶。
（3）3D打印激光熔化技術(shù)制備多孔鎳基合金抗壓強(qiáng)度為461～535MPa，壓縮斷口為撕裂式枝晶斷裂。
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作者簡介：
張敏（1978—），女，遼寧遼陽人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，2001年、2004年和2007年于東北大學(xué)分別獲得學(xué)士、碩士、博士學(xué)位，主要從事多孔材料制備與金屬激光加工方面的研究。Ｅ-ｍａｉL：ｍｚｈａｎｇ＠ａLｉｙｕｎ.ｃｏｍ
陳長軍（1976—），男，湖北隨州人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，2000年于東北大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2006年于中科院金屬研究所獲得博士學(xué)位，主要從事激光制造與再制造方面的研究。Ｅ-ｍａｉL：ｃｈｅｎ-ｃｈａｎｇｊｕｎ＠ｓｕｄａ.ｅｄｕ.ｃｎ
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