盘星新金属技术白皮书

IN738LC高温合金概述

γ′相沉淀强化镍基高温合金是材料科学领域的重大突破之一，IN738LC是其中的高端沉淀强化镍基高温合金，由于其合金化程度高，析出热稳定的主要强化相γ′相（Ni₃(Al, Ti)），高铬含量(≥16wt%)，在高达850℃的高温下仍能保持其优异的机械性能，是抗热腐蚀性能最好的合金之一。因此，IN738LC具有优异的微结构稳定性，高温强度和出色的高温抗氧化性能特点，广泛应用于航空航天、发电和核反应堆等领域，是制造航空发动机和燃气涡轮等高温零件的理想材料之一。然而，IN738LC的高γ′析出率对裂纹极为敏感，被归类为“难焊接”的合金”。

SLM增材制造可以直接一体化成形复杂形状的零件，但是SLM打印成形过程中温度梯度大、冷速快、反复重熔，残余应力高，易变形和开裂，给IN738LC材料SLM打印成形高质量制件带来了挑战，用该合金制造零件无缺陷的材料十分困难。因此，IN738LC镍基高温合金的高温性能与裂纹敏感性之间的巨大矛盾是必须解决的关键问题。

图1航空发动机部件图片

IN738LC高温合金粉末生产工艺

粉末是IN738LC高温合金粉末冶金构件制备的前提与基础，对性能起着重要作用。预合金粉末法成分均匀性较好，杂质元素含量低，制得的构件力学性能较好，因而成为IN738LC高温合金粉末制备的首选工艺。

IN738LC镍基高温合金球形粉末制备方法主要有真空感应熔炼气雾化法(VIGA)、电极感应熔炼气雾化法（EIGA）、等离子旋转电极制粉技术（PREP）。

真空感应熔炼气雾化法（VIGA）

将IN738LC高温合金预熔炼成合适尺寸的合金棒料，再将棒料装入陶瓷坩埚中，经过感应线圈升温将合金棒料完全熔化并保温一段时间后，金属液通过底部的导流管进入喷盘，在高速惰性气流作用下将液流破碎，并快速冷凝成粉末。该工艺制备粉末球形度高、氧含量低，但存在坩埚材料可能引入的夹杂污染问题。

图2真空感应熔炼气雾化法VIGA示意图

电极感应熔炼气雾化法（EIGA）

将IN738LC高温合金制作成电极棒，通过感应线圈将电极棒加热熔化并形成细小的液流，经过喷盘，在高速惰性气流作用下将液滴破碎，并快速冷凝成粉末。该工艺为无坩埚无导流管模式，制备的粉末纯净度高，但是液流稳定性不易控制，且需提前熔炼出电极，存在成分偏析问题。

图3电极感应熔炼气雾化法EIGA示意图

等离子旋转电极雾化法（PREP）

将IN738LC高温合金原料制作成电极棒，利用电极棒旋转产生的离心力将电极一端由等离子熔化的金属液滴沿切向甩出并雾化成粉末。该工艺制备的IN738LC高温合金粉末纯净、球形度高、流动性好、空心粉少。但该工艺受限于电极转速，粉末粒径较粗，生产效率也较低，由于采用母合金锭作为电极，同样存在成分偏析问题。

图4等离子旋转电极雾化法PREP示意图

盘星新金属IN738LC高温合金粉末特性

采用独特的材料成分设计及熔炼工艺控制，制备优质的预合金棒材，盘星公司采用电极感应熔炼气雾化法（EIGA）制备IN738LC粉末。在制粉过程中，通过关键参数控制，实现连续、稳定、高效生产。应用于SLM技术的15-53μm粉末，其激光粒度分布见下表1所示。

表1 IN738LC高温合金粉末 15~53μm激光粒度分布

IN738LC高温合金15~53μm粉末具有优异的综合性能，如下表2所示。

表2 IN738LC高温合金15~53μm粉末综合性能

IN738LC高温合金15~53μm粉末形貌如扫描电子显微镜SEM下图5所示，粉末的球形度高，卫星球少。

图5 IN738LC高温合金15~53μm粉末形貌图

盘星新金属IN738LC高温合金打印件力学性能

通过优化的SLM工艺参数，可以制造出宏观孔隙率低于0.1%的IN738LC无裂纹零件，IN738LC高温合金打印件经过热处理后具有优异的室温力学性能，如下表3所示。

表3 IN738LC高温合金打印件室温力学性能

SLM成形过程的层状累积导致材料中具有很强的晶体优选取向(织构)，从而产生各向异性，在高温性能上较为明显。IN738LC高温合金打印件热处理后具有优异的高温力学性能，如下表4所示。

表4 IN738LC高温合金打印件高温力学性能

IN738LC高温合金打印态及热处理态的横纵剖面金相如图6～图7所示，未发现明显的孔隙、裂纹和夹杂等内部质量缺陷。打印态组织呈细长的柱状晶织构结构，其热处理态组织发生等轴化转变，晶粒细小，且未明显长大。IN738LC优异的机械性能源自于时效沉淀强化、固溶强化和晶界强化的强化效应。局部均匀晶粒对抑制IN738LC合金在SLM成形过程中的裂纹起着重要作用。盘星新金属通过独特的成分设计、优化的打印工艺和热处理制度的开发，获得了近乎无裂纹的局部等轴组织以及强度和延性的良好组合。局部等轴晶粒归因于动态再结晶，并使得热应力松弛。此外，裂纹萌生和扩展的抑制归因于晶粒细化和残余应力降低。

图6 IN738LC高温合金打印态的横纵剖面金相组织（X100倍）

图7 IN738LC高温合金打印件热处理态的横纵剖面金相组织（X100倍）

IN738LC高温合金粉末应用

增材制造技术的独特优势，给难焊接材料IN738LC高温合金的复杂结构成型带来了新的机遇。目前，国内科研院所开展了大量工作，如图8所示，深圳大学团队利用选区激光熔化熔化IN738LC材料制备的高45mm航空发动机涡轮叶片。图8左边为成形的零部件，图8右边为该零部件的剖面情况，可以看到零件内部结构十分复杂，试样成形性能非常好，表面光泽度也很高，采用传统工艺需要很长的周期，而利用选区激光熔化技术仅用了4个小时，大大缩短了制造时间，提升了生产效率。同时也证明了选区激光熔化制备全致密无裂纹高性能的 IN738LC 合金零部件的可行性。

图8深圳大学团队采用SLM制造的IN738LC高温合金航空发动机涡轮叶片

盘星致力粉末研发和生产

盘星新金属致力于新型金属材料、球形金属粉末的研发生产，是一家以研发为导向，精密制造为核心的国家高新技术企业。在粉末业务方面，盘星新金属现有10条真空气雾化生产线，年产钛合金、高温合金等高品质粉末逾1000吨，产品广泛应用于增材制造、MIM、表面处理等领域。未来，盘星将推出更多元化、低成本的粉末种类，以卓越稳定的产品质量，向客户提供高效一体化的技术解决方案。