南科大朱強團隊在增材制造高溫合金蠕變行為研究方面取得重要進展

來源：南方科技大學分析測試中心

近日，南方科技大學機械與能源工程系講席教授朱強團隊與中山大學副教授胡小剛合作在激光增材制造高裂紋敏感性高溫合金蠕變機理及性能預測方面取得重要進展，相關成果以“Creep behaviour investigation of additively manufactured IN738LC superalloy based on Materials Genome approach”為題在國際期刊Materials  Science and Engineering R上發(fā)表研究類論文。

激光增材制造釋放了結構設計約束和跨尺度組織構筑性，為突破當前高溫結構材料的制造極限提供了創(chuàng)新方案，有望滿足航空發(fā)動機、燃氣輪機等重大裝備對極端高溫性能的迫切需求。蠕變性能作為衡量高溫環(huán)境下構件服役性能與可靠度的關鍵指標，其重要性不言而喻。因此，加速構建激光增材制造合金蠕變性能數據庫，并發(fā)展先進的蠕變行為預測技術，對于推動增材制造技術在裝備制造領域的應用具有重要意義。

然而，激光增材制造高溫合金目前仍面臨諸多挑戰(zhàn)：一是高性能高溫合金裂紋敏感性高，打印過程中普遍存在開裂問題；二是激光增材高溫合金蠕變性能顯著低于傳統(tǒng)鑄造合金，限制高溫高應力服役條件下的產品替代潛力；三是傳統(tǒng)的蠕變測試方法因效率低下、成本高昂，難以滿足快速建立材料成分、制造工藝與蠕變性能之間關系數據庫的迫切需求；四是現(xiàn)有的蠕變性能預測技術大多聚焦于斷裂壽命的預測，而缺乏對材料在不同服役階段形變與損傷動態(tài)演化過程的準確描述。

針對這一難題，朱強團隊與胡小剛開展合作研究。團隊以高裂紋敏感性高溫合金IN738LC為驗證材料，提出液相誘導愈合后處理方案修復激光增材制造過程中產生的微裂紋，提升材料致密度（圖1）；在此基礎上，團隊研發(fā)了高通量蠕變測試技術，在保證壓縮蠕變溫度及載荷一致性的同時將數據的獲取效率提升8倍（圖2），結果表明經過LIH處理后合金的最小壓縮蠕變速率與諸多代表性高蠕變性能工程合金（鑄態(tài)）相當或更優(yōu)（圖3）；更進一步地，團隊基于優(yōu)化算法構建了最小蠕變速率與溫度和壓力之間的映射關系；最后融合深度學習技術，構建了能夠精準預測IN738LC合金在任意溫度與應力條件下蠕變行為的預測模型，為材料的服役性能評估與優(yōu)化設計提供了強有力的工具（圖4）。

圖1. 采用液相誘導愈合技術（LIH）修復激光增材制造裂紋

圖2. (a)高通量壓縮蠕變測試系統(tǒng)CC801；(b) IN738LC不同溫度與應力條件下壓縮蠕變曲線

圖3. LPBF-IN738LC合金（LIH處理態(tài)）與常用高性能高溫合金（鑄態(tài)）最小壓縮蠕變速率對比

圖4. 采用深度學習模型對LPBF-IN738LC蠕變行為預測

此研究不僅運用激光增材制造制備出蠕變性能卓越的高裂紋敏感性高溫合金，并深入剖析其微觀機制，更為關鍵的是，它基于“材料基因組計劃”理念，將高通量蠕變測試技術與機器學習相融合，為建立精準的蠕變行為預測模型提供了新路徑，對于推動高溫結構材料的快速研發(fā)與廣泛應用具有重要意義。

南方科技大學機械與能源工程系博士后徐振為文章第一作者，朱強為通訊作者，胡小剛為共同通訊作者。朱強團隊成員呂志威博士、王致遠、李卓宇、史志芳、陳振南，以及中山大學副教授郭川等也為研究做出重要貢獻。該研究得到了國家自然科學基金委、中國博士后科學基金會、深圳市科技創(chuàng)新局以及南科大分析測試中心等部門的大力支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mser.2024.100914