新技術(shù)可高效愈合激光增材制造鎳基高溫合金裂紋
時間：2024-03-15 08:49 來源：科學網(wǎng) 作者：admin 閱讀：次
根據(jù)中國科學報的報道，近日，南方科技大學機械與能源工程系講席教授朱強團隊在《材料學報》發(fā)表最新研究成果。研究團隊提出了一種液相誘導愈合（Liquid-induced
healing,
LIH）激光增材制造裂紋的新工藝，通過控制晶界微量重熔以引入晶間液膜回填缺陷，進而實現(xiàn)在微尺度上將構(gòu)件中的裂紋“焊合”。該研究成果對于突破激光增材制造高裂紋敏感性合金這一行業(yè)難題具有重要意義。
激光增材制造是解決個性化、復雜化金屬構(gòu)件整體成形的革命性技術(shù)，具有巨大的應用前景。然而，現(xiàn)有的數(shù)百種常用工程合金中僅有十余種可以穩(wěn)定實現(xiàn)無裂紋打印，遠不能滿足替代傳統(tǒng)工藝的需求。相比于鑄造、焊接等工藝，激光增材制造技術(shù)具有微區(qū)超常冶金和快速凝固的本征屬性而更容易引起開裂。現(xiàn)有應對激光增材制造裂紋的處理方式有兩種，一是打印過程中通過調(diào)控合金凝固區(qū)間、晶粒形貌及構(gòu)件溫度梯度等方法抑制裂紋，然而，對于不同合金體系的作用效果存在顯著差異，工藝窗口窄且穩(wěn)定性較差，難以徹底消除裂紋；二是采用熱等靜壓（HIP）后處理閉合裂紋。然而HIP無法修復表面缺陷，需進一步加工去除表層材料，這無疑弱化了增材制造技術(shù)成形復雜結(jié)構(gòu)的核心優(yōu)勢。
此外，極高壓的工作條件使得HIP裝備復雜且成本極其高昂，因此也僅適用于少部分高附加值的金屬增材制造構(gòu)件。對此，研究團隊基于引入晶間連續(xù)液膜將裂紋“焊合”的技術(shù)思路，提出了液相誘導愈合（LIH）技術(shù)，并以典型高裂紋敏感性合金IN738LC為試驗合金，驗證LIH技術(shù)的可行性與先進性，研究結(jié)果表明，經(jīng)過LIH技術(shù)處理后，合金力學性能的顯著提升。在拉伸性能方面，LIH態(tài)高于鑄態(tài)和熱等靜壓態(tài)，而在高溫蠕變方面，LIH態(tài)合金則表現(xiàn)出了與精密鑄造相當且遠高于熱等靜壓態(tài)的性能。
據(jù)介紹，與當前最有保障的HIP技術(shù)相比，LIH技術(shù)在缺陷消除效率、普適性、便捷性及成本上均有顯著的優(yōu)勢，一是突破其無法愈合表面缺陷的技術(shù)局限，因此可適用于復雜構(gòu)件的孔隙愈合處理而無需額外的機加工去除表面；二是LIH所需壓力不到HIP工藝的1/20，消除了高壓特種裝備的安全隱患，簡化了裝備構(gòu)造和成本；三是無需保溫處理，而HIP需在高溫保溫數(shù)小時，因此提高工藝效率和降低能耗成本。
▲ 論文圖形摘要
激光增材制造是解決個性化、復雜化金屬構(gòu)件整體成形的革命性技術(shù)，具有巨大的應用前景。然而，現(xiàn)有的數(shù)百種常用工程合金中僅有十余種可以穩(wěn)定實現(xiàn)無裂紋打印，遠不能滿足替代傳統(tǒng)工藝的需求。相比于鑄造、焊接等工藝，激光增材制造技術(shù)具有微區(qū)超常冶金和快速凝固的本征屬性而更容易引起開裂。現(xiàn)有應對激光增材制造裂紋的處理方式有兩種，一是打印過程中通過調(diào)控合金凝固區(qū)間、晶粒形貌及構(gòu)件溫度梯度等方法抑制裂紋，然而，對于不同合金體系的作用效果存在顯著差異，工藝窗口窄且穩(wěn)定性較差，難以徹底消除裂紋；二是采用熱等靜壓（HIP）后處理閉合裂紋。然而HIP無法修復表面缺陷，需進一步加工去除表層材料，這無疑弱化了增材制造技術(shù)成形復雜結(jié)構(gòu)的核心優(yōu)勢。
此外，極高壓的工作條件使得HIP裝備復雜且成本極其高昂，因此也僅適用于少部分高附加值的金屬增材制造構(gòu)件。對此，研究團隊基于引入晶間連續(xù)液膜將裂紋“焊合”的技術(shù)思路，提出了液相誘導愈合（LIH）技術(shù)，并以典型高裂紋敏感性合金IN738LC為試驗合金，驗證LIH技術(shù)的可行性與先進性，研究結(jié)果表明，經(jīng)過LIH技術(shù)處理后，合金力學性能的顯著提升。在拉伸性能方面，LIH態(tài)高于鑄態(tài)和熱等靜壓態(tài)，而在高溫蠕變方面，LIH態(tài)合金則表現(xiàn)出了與精密鑄造相當且遠高于熱等靜壓態(tài)的性能。
據(jù)介紹，與當前最有保障的HIP技術(shù)相比，LIH技術(shù)在缺陷消除效率、普適性、便捷性及成本上均有顯著的優(yōu)勢，一是突破其無法愈合表面缺陷的技術(shù)局限，因此可適用于復雜構(gòu)件的孔隙愈合處理而無需額外的機加工去除表面；二是LIH所需壓力不到HIP工藝的1/20，消除了高壓特種裝備的安全隱患，簡化了裝備構(gòu)造和成本；三是無需保溫處理，而HIP需在高溫保溫數(shù)小時，因此提高工藝效率和降低能耗成本。
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