新技術可高效愈合激光增材制造鎳基高溫合金裂紋

來源：科學網

根據中國科學報的報道，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，進而實現在微尺度上將構件中的裂紋“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。

▲ 論文圖形摘要

激光增材制造是解決個性化、復雜化金屬構件整體成形的革命性技術，具有巨大的應用前景。然而，現有的數百種常用工程合金中僅有十余種可以穩(wěn)定實現無裂紋打印，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控合金凝固區(qū)間、晶粒形貌及構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成形復雜結構的核心優(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”的技術思路，提出了液相誘導愈合（LIH）技術，并以典型高裂紋敏感性合金IN738LC為試驗合金，驗證LIH技術的可行性與先進性，研究結果表明，經過LIH技術處理后，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)合金則表現出了與精密鑄造相當且遠高于熱等靜壓態(tài)的性能。

據介紹，與當前最有保障的HIP技術相比，LIH技術在缺陷消除效率、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局限，因此可適用于復雜構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，簡化了裝備構造和成本；三是無需保溫處理，而HIP需在高溫保溫數小時，因此提高工藝效率和降低能耗成本。