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大阪大學(xué)研究人員發(fā)現(xiàn)納米級(jí)蜂窩結(jié)構(gòu)能顯著提升3D打印高溫合金強(qiáng)度

3D打印動(dòng)態(tài)
2025
07/10
16:43
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評(píng)論
2025年7月10,南極熊獲悉,來(lái)自大阪大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)金屬3D打印技術(shù)自發(fā)、分級(jí)、特異性形成的微米級(jí)晶體層狀結(jié)構(gòu)和納米級(jí)胞狀結(jié)構(gòu)對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)進(jìn)行了定量的個(gè)體分析,發(fā)現(xiàn)胞狀結(jié)構(gòu)(胞狀特定界面)是帶來(lái)極其顯著強(qiáng)度提升的因素。


相關(guān)研究以題為《Remarkable strengthening effectsof cells in laser powder bed fusion-processed Inconel 718/激光粉末床熔融加工的Inconel 718合金中胞狀結(jié)構(gòu)的顯著強(qiáng)化效果》的論文發(fā)表于《材料研究快報(bào)》(MaterialsResearch Letters)。



為了明確各自的貢獻(xiàn),以大阪大學(xué)研究生院工學(xué)研究科菊川太一(碩士課程)、石本卓也特任教授、中野隆義教授為首的研究小組,設(shè)計(jì)了獨(dú)特的掃描策略,分別確立了通過(guò)熱處理消除蜂窩狀結(jié)構(gòu)和層狀結(jié)構(gòu)的方法。

△用于獲得 (a) CLM 和 (e) SC 狀織構(gòu)的掃描策略示意圖。(b, f) 逆極圖 (IPF) 圖和(c, g) 001 極圖表示所得織構(gòu),以及 (d, h) 產(chǎn)品中擇優(yōu)晶體取向的示意圖。IPF 圖的顏色對(duì)應(yīng)于投影到 BD 的晶體取向。極圖 (c) 中的箭頭表示由亞層晶體取向得出的強(qiáng)度。

結(jié)果發(fā)現(xiàn),層狀結(jié)構(gòu)的存在使強(qiáng)度提高了幾個(gè)百分點(diǎn),而蜂窩狀結(jié)構(gòu)的存在使強(qiáng)度提高了40%,顯示出蜂窩狀結(jié)構(gòu)極高的強(qiáng)化效果。

△圖 2. (a, b) 垂直于激光掃描方向的橫截面 SEM 圖像,突出顯示了晶胞微觀結(jié)構(gòu),并疊加了熔池邊界的痕跡。清晰地描繪了掃描策略的差異以及熔池邊界處的外延生長(zhǎng)。白色箭頭表示熔池邊界處的直接外延生長(zhǎng),而淺藍(lán)色箭頭表示通過(guò)“側(cè)枝”進(jìn)行的外延生長(zhǎng)。其中晶胞生長(zhǎng)方向正交,但仍保持晶體取向。(c)熔池中心突然出現(xiàn)<001>//BD取向的晶粒。在后續(xù)層中,由于<001>取向的晶粒與熔池側(cè)壁接觸,因此晶體取向未被繼承。

本研究發(fā)現(xiàn)的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化效果,結(jié)合目前已闡明的3D打印材料的強(qiáng)化機(jī)理和強(qiáng)度各向異性,以及3D打印所擅長(zhǎng)的基于形狀的功能性,有望突破傳統(tǒng)機(jī)械功能的限制,大大拓展人工定制機(jī)械功能控制的范圍。

據(jù)報(bào)道,采用LPBF法制備的各種合金比采用鑄造等傳統(tǒng)方法制備的合金具有更高的強(qiáng)度,材料特性在世界范圍內(nèi)日益受到關(guān)注。在此背景下,需要明確和控制強(qiáng)化因素的性質(zhì)和特性,以提高合金的強(qiáng)度,并實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度的靈活設(shè)計(jì)。

然而,由于金屬3D打印物體內(nèi)部存在多種不同尺度的獨(dú)特結(jié)構(gòu),很難分離出每種獨(dú)特結(jié)構(gòu)引起的強(qiáng)化,也無(wú)法定量識(shí)別強(qiáng)化因素。

這項(xiàng)研究中獲得的關(guān)于通過(guò)蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化的知識(shí)意味著,用 LPBF 生產(chǎn)的零件替代傳統(tǒng)制造的零件,不僅有可能帶來(lái)制造方法的改變,而且還會(huì)顯著改善產(chǎn)品的機(jī)械功能及其超輕量化。

基于凝固過(guò)程中的濃度分布,LPBF工藝中許多合金體系都會(huì)出現(xiàn)胞狀結(jié)構(gòu)。換句話說(shuō),由于該成果可以應(yīng)用于構(gòu)成社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)品的各種合金材料,研究人員預(yù)計(jì)連鎖反應(yīng)將擴(kuò)展到極其廣泛的工業(yè)領(lǐng)域。


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