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3D打印單晶高溫合金突破經(jīng)典理念

3D打印動態(tài)
2023
11/10
10:50
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來源:增材制造技術(shù)前沿

航空發(fā)動機葉片由成本昂貴的單晶鎳基高溫合金制成。由于服役環(huán)境苛刻,單晶葉片容易受到局部損傷,發(fā)展可靠的葉片修復(fù)技術(shù)對航空發(fā)動機延壽、降成本至關(guān)重要。近些年來,3D打印憑借其“精準定位、可控增材”的特點在單晶葉片的修復(fù)/再制造領(lǐng)域展現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景。

△激光增材制造修復(fù)葉片

然而,3D打印材料凝固過程冷卻速度快的突出特點,極易造成高殘余應(yīng)力和高位錯密度的亞穩(wěn)態(tài)微觀組織結(jié)構(gòu)。這種亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)在標準熱處理或服役過程中容易發(fā)生再結(jié)晶,導(dǎo)致材料高溫力學(xué)性能下降,造成安全隱患。



由西安交通大學(xué)、美國麻省理工學(xué)院以及美國約翰霍普金斯大學(xué)組成的研究團隊刊文指出,從微觀結(jié)構(gòu)演化的規(guī)律入手,為3D打印單晶高溫合金定制熱處理制度,可以解決單晶葉片3D打印修復(fù)后的再結(jié)晶問題,并提出了高溫合金塑性變形回復(fù)的新機制。


△3D打印鎳基單晶的微觀結(jié)構(gòu)演變,與研究的新型高溫還原退火相比較圖

高溫合金的標準熱處理制度一般由固溶、時效組成,實踐證明該工藝流程會導(dǎo)致3D打印高溫合金發(fā)生再結(jié)晶。研究團隊經(jīng)過系統(tǒng)的文獻調(diào)研與綜合分析,提出并證實在固溶前增加“回復(fù)”(Recovery)步驟,可以消除再結(jié)晶驅(qū)動力。

經(jīng)過“回復(fù)-固溶-時效”處理,高溫合金的殘余應(yīng)力伴隨微觀組織γ′相的定向粗化而消除,位錯密度可降低至熱處理前的5%左右,時效后沉淀強化γ′相達到與鑄態(tài)基材相同水平。因所發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象與高溫合金在高溫蠕變條件下發(fā)生的筏化效應(yīng)(Rafting)相似,且在事實上起到了回復(fù)的效果,故將其命名為“筏化-回復(fù)”效應(yīng)(Rafting-enabled recovery)。

這一發(fā)現(xiàn)為防止3D打印單晶由于殘余應(yīng)力未消除而開裂提供了一種實用方法,為增材制造修復(fù)、恢復(fù)和重塑其他高溫合金單晶產(chǎn)品鋪平了道路;突破了經(jīng)典觀念所認為的“單晶高溫合金不具備回復(fù)能力”的認知,為設(shè)計3D打印高溫合金的非標準熱處理制度提供了科學(xué)依據(jù),并表明新的熱處理制度完全能滿足3D打印單晶葉片修復(fù)的需求。

參考:Rafting-Enabled Recovery Avoids Recrystallization in 3D-Printing-Repaired Single-Crystal Superalloys


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