研究人員利用中子成像研究3D打印高溫合金的內部結構
時間：2024-10-07 17:20 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2024年10月7日，根據美國能源部的最新研究，科學家們成功應用中子成像技術，深入研究通過激光3D打印制造的新型超級合金的應力效應。這些高強度、高耐熱的金屬材料對于發電領域中使用的先進燃氣輪機等極端應用至關重要。
研究背景
傳統上，渦輪部件如熱氣通道在不同位置需要滿足不同的材料性能要求。為此，一種常見策略是將低成本的、低強化析出相含量的鎳基高溫合金與具有中/高強化析出相含量的高溫合金進行焊接。通過這種方式，既能滿足高溫區域的使用需求，又能在其他區域降低成本。然而，這種熔焊工藝通常會在材料界面處產生殘余應力，可能導致機械性能下降。此外，具有中/高強化析出相含量的高溫合金在焊接過程中表現出較差的焊接性，容易發生應變時效開裂問題。
增材制造，尤其是定向能量沉積（DED）技術，提供了制造復雜幾何結構和梯度材料的新途徑。與傳統的焊接方法相比，該技術可以更好地控制不同材料之間的成分過渡，從而減小殘余應力的影響并改善機械性能。通過從多個料斗中控制粉末混合，DED技術能夠在高溫合金之間實現成分梯度變化，優化過渡層的數量、成分和厚度。
此次研究是由通用電氣、愛迪生焊接研究所和橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的合作團隊共同開展的，團隊成功利用3D打印技術制造出Inconel 718和René 41合金，并且在制造過程中未發生開裂現象。該工藝采用激光逐層熔合金屬粉末形成所需形狀，但可能會在內部引入影響材料性能的應力。
為了準確評估這些應力，研究人員在ORNL的散裂中子源（SNS）和高通量同位素反應堆（HFIR）進行了中子成像實驗。這兩個設施均為美國能源部科學辦公室的用戶設施，具有獨特的優勢——中子能夠有效穿透致密金屬，為內部結構提供詳細的洞察。
高溫合金殘余應力研究揭示制造參數影響與優化
研究結果顯示，高溫合金中的殘余應力主要受制造參數（如激光停留時間和能量水平）的影響，遠大于金屬化學成分的影響。同時，研究表明，熱處理可以有效降低這些殘余應力，從而提升材料的整體性能。
該團隊利用SNS的VULCAN衍射儀和HFIR的MARS成像儀，測量了殘余晶格應變的分布，觀察了材料在不同加工階段的應力和成分變化。這些重要發現為行業利用3D打印技術開發更優質的組件提供了新視角，尤其是針對極端環境的應用。
此次研究不僅加深了對3D打印高溫合金應力效應的理解，也建立了一種更有效的評估金屬應力水平的方法。研究成果對降低制造成本和提高在高應力、高溫條件下承受性能的部件具有重大意義。
本研究得到了美國能源部（DOE）能源效率和可再生能源辦公室及先進制造辦公室的支持。相關工作充分利用了散裂中子源和高通量同位素反應堆的資源，這兩個設施均由橡樹嶺國家實驗室運營。
△該研究的題目為“用激光噴吹定向能沉積法制造的IN718-René41梯度超合金中的殘余應力和微觀結構”（傳送門）
研究背景
傳統上，渦輪部件如熱氣通道在不同位置需要滿足不同的材料性能要求。為此，一種常見策略是將低成本的、低強化析出相含量的鎳基高溫合金與具有中/高強化析出相含量的高溫合金進行焊接。通過這種方式，既能滿足高溫區域的使用需求，又能在其他區域降低成本。然而，這種熔焊工藝通常會在材料界面處產生殘余應力，可能導致機械性能下降。此外，具有中/高強化析出相含量的高溫合金在焊接過程中表現出較差的焊接性，容易發生應變時效開裂問題。
增材制造，尤其是定向能量沉積（DED）技術，提供了制造復雜幾何結構和梯度材料的新途徑。與傳統的焊接方法相比，該技術可以更好地控制不同材料之間的成分過渡，從而減小殘余應力的影響并改善機械性能。通過從多個料斗中控制粉末混合，DED技術能夠在高溫合金之間實現成分梯度變化，優化過渡層的數量、成分和厚度。
△成品和熱處理后的IN718/R41級單道薄壁樣品，激光行進方向可通過樣品表面與構建板平行的輪廓線觀察到
此次研究是由通用電氣、愛迪生焊接研究所和橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的合作團隊共同開展的，團隊成功利用3D打印技術制造出Inconel 718和René 41合金，并且在制造過程中未發生開裂現象。該工藝采用激光逐層熔合金屬粉末形成所需形狀，但可能會在內部引入影響材料性能的應力。
為了準確評估這些應力，研究人員在ORNL的散裂中子源（SNS）和高通量同位素反應堆（HFIR）進行了中子成像實驗。這兩個設施均為美國能源部科學辦公室的用戶設施，具有獨特的優勢——中子能夠有效穿透致密金屬，為內部結構提供詳細的洞察。
△(A)中子衍射實驗裝置；(B)安裝在樣品架上的三個成品樣品 1A、2A和3A以及三個熱處理半件 1B、2B和3B的近景圖
高溫合金殘余應力研究揭示制造參數影響與優化
研究結果顯示，高溫合金中的殘余應力主要受制造參數（如激光停留時間和能量水平）的影響，遠大于金屬化學成分的影響。同時，研究表明，熱處理可以有效降低這些殘余應力，從而提升材料的整體性能。
△對于成品樣品，沿構建方向（從每個地圖的構建板側的距離）計算了平均的KAM值
該團隊利用SNS的VULCAN衍射儀和HFIR的MARS成像儀，測量了殘余晶格應變的分布，觀察了材料在不同加工階段的應力和成分變化。這些重要發現為行業利用3D打印技術開發更優質的組件提供了新視角，尤其是針對極端環境的應用。
此次研究不僅加深了對3D打印高溫合金應力效應的理解，也建立了一種更有效的評估金屬應力水平的方法。研究成果對降低制造成本和提高在高應力、高溫條件下承受性能的部件具有重大意義。
本研究得到了美國能源部（DOE）能源效率和可再生能源辦公室及先進制造辦公室的支持。相關工作充分利用了散裂中子源和高通量同位素反應堆的資源，這兩個設施均由橡樹嶺國家實驗室運營。
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