3D打印GH4169 高温合金性能优势对比
材料成分与组织
生产中使用的GH4169 高温合金粉末为粒度分布范围为15 ～53μm 的球形粉，粉末形态如图1 所示，相关的物理参数如表1所示。通过粉末材料和打印块体样品的合金成分对比可以发现，打印过程中由于合金元素的熔点及氧化(环境存在微量的氧)特性等差异，打印后样品的合金元素含量普遍略有增加，如表2所示。
表1 GH4169 高温合金粉末的物理参数
表2 GH4169 高温合金粉末及打印块体的合金成分(质量分数，%)
图1 粉末形貌
对3D 打印后的样品进行标准处理后的显微组织如图2所示，组织中未见明显的裂纹、孔洞等缺陷，材料致密度为99.7%，在晶粒内部和晶界均匀分布有球形析出纳米颗粒。
图2 3D 打印GH4169 样品热处理后的显微组织
GH4169 强度分析
3D 打印的高温合金存在比较大的内应力，一般需要进行热处理，热处理包括去应力退火、均匀化退火等，本文中3D打印的高温合金样品均按照中国航空材料手册进行GH4169的标准热处理。热处理后样品在不同温度下的拉伸性能与高强涡轮盘锻件的性能对比如图3 和图4所示。整体上打印态样品的抗拉强度和屈服强度略低于锻造态样品，差别都比较小，一般小于5%。打印态样品的断后伸长率和断面收缩率较锻造态较差，并且随拉伸温度增加两者的差值越大。考虑到打印态样品的致密度为99.7%，和锻造态样品相比存在些许微观缺陷，其塑性的不足表现比较明显。打印态的样品室温和高温条件下的拉伸性能达到标准GJB713A-2020 以上，满足实际使用要求。
图3 3D 打印打印态和锻造态GH4169 样品不同温度下的抗拉强度和屈服强度
图4 3D 打印打印态和锻造态GH4169 样品不同温度下的断后伸长率和断面收缩率
GH4169 高温持久性能分析
表3 为打印态和锻造态GH4169样品的高温持久性能，可以看出打印态样品具有良好的高温持久性能，并且优于相同热处理状态下的锻造样品，这也说明3D打印的高温合金构件完全可以适用于高温服役环境。
表3 不同状态GH4169 样品的高温持久性能
GH4169 疲劳性能分析
表4 为打印态和锻造态GH4169样品的室温疲劳性能，随着应力水平增加，疲劳周次降低，而打印态高温合金即便在更高的应力条件下，仍然具有优异的疲劳性能，疲劳周次远高于锻造态样品。这可能是由于打印态样品的成分、组织更加均匀，纳米强化相的形态更优，而锻造态样品中的枝晶偏析及沉淀相的形态可能导致其微观组织的均匀性较差，使疲劳裂纹更容易萌生和扩张。
表4 不同状态GH4169 样品的持久性能