新技術(shù)可高效愈合激光增材制造鎳基高溫合金裂紋

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根據(jù)中國(guó)科學(xué)報(bào)的報(bào)道，近日，南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系講席教授朱強(qiáng)團(tuán)隊(duì)在《材料學(xué)報(bào)》發(fā)表最新研究成果。研究團(tuán)隊(duì)提出了一種液相誘導(dǎo)愈合（Liquid-induced healing, LIH）激光增材制造裂紋的新工藝，通過(guò)控制晶界微量重熔以引入晶間液膜回填缺陷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在微尺度上將構(gòu)件中的裂紋“焊合”。該研究成果對(duì)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(gè)性化、復(fù)雜化金屬構(gòu)件整體成形的革命性技術(shù)，具有巨大的應(yīng)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(shí)現(xiàn)無(wú)裂紋打印，遠(yuǎn)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(kāi)裂。現(xiàn)有應(yīng)對(duì)激光增材制造裂紋的處理方式有兩種，一是打印過(guò)程中通過(guò)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(duì)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(wú)法修復(fù)表面缺陷，需進(jìn)一步加工去除表層材料，這無(wú)疑弱化了增材制造技術(shù)成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)的核心優(yōu)勢(shì)。

此外，極高壓的工作條件使得HIP裝備復(fù)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(duì)此，研究團(tuán)隊(duì)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(dǎo)愈合（LIH）技術(shù)，并以典型高裂紋敏感性合金IN738LC為試驗(yàn)合金，驗(yàn)證LIH技術(shù)的可行性與先進(jìn)性，研究結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)LIH技術(shù)處理后，合金力學(xué)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(dāng)且遠(yuǎn)高于熱等靜壓態(tài)的性能。

據(jù)介紹，與當(dāng)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(shì)，一是突破其無(wú)法愈合表面缺陷的技術(shù)局限，因此可適用于復(fù)雜構(gòu)件的孔隙愈合處理而無(wú)需額外的機(jī)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(jiǎn)化了裝備構(gòu)造和成本；三是無(wú)需保溫處理，而HIP需在高溫保溫?cái)?shù)小時(shí)，因此提高工藝效率和降低能耗成本。