IMDEA材料研究所3D打印IN939高溫合金最新成果，可實現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控

導(dǎo)讀：鎳基高溫合金，例如因科系列鎳基合金，在極端條件下具有卓越強度和耐受性，是增材制造領(lǐng)域最具前景但又極具挑戰(zhàn)性的材料之一。這些材料以其在而聞名。然而，它們的復(fù)雜性也給打印過程中控制內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。理解和操控這種微觀結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，因為它直接影響所制造部件的機械性能、耐久性和可靠性。

2025年8月8日，南極熊獲悉，IMDEA材料研究所IgnacioRodríguez Barber領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊最近開展了一項3D打印IN939鎳基高溫合金的研究，提出了一種流線型且可擴展的方法，用于設(shè)計和控制激光粉末床熔融（LPBF）制備Inconel 939（In939）合金組件中的微觀結(jié)構(gòu)。

△IMDEA材料研究所研究員 Ignacio Rodríguez Barber 與多個 LPBF 打印的 IN939 結(jié)構(gòu)合影

這項研究以題為“Melt pool overlap as a key tool formicrostructure design in PBF-LB/M of a Ni-based superalloy: empirical andanalytical approaches”的論文發(fā)表在《增材制造》雜志上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2025.104901

鎳基高溫合金在工業(yè)中的關(guān)鍵作用

鎳基高溫合金在各種高性能行業(yè)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它們能夠耐受高溫和腐蝕環(huán)境，這使得它們在航空航天和能源生產(chǎn)等領(lǐng)域至關(guān)重要。由這些合金制成的部件通常暴露在嚴(yán)苛的操作條件下，例如燃?xì)廨啓C和噴氣發(fā)動機中，在這些條件下材料不能失效。盡管鎳基高溫合金具有諸多優(yōu)勢，但正是這些特性導(dǎo)致了制造難度，尤其是在試圖在復(fù)雜的幾何形狀中實現(xiàn)精確均勻的晶粒結(jié)構(gòu)時。

LPBF工藝雖然用途廣泛且精度高，但會引入快速的熱波動，導(dǎo)致晶粒結(jié)構(gòu)復(fù)雜且通常難以預(yù)測。無法持續(xù)預(yù)測和控制這些微觀結(jié)構(gòu)可能會影響最終產(chǎn)品的性能。傳統(tǒng)方法很大程度上依賴于反復(fù)的反復(fù)試驗，這限制了效率并增加了生產(chǎn)成本。業(yè)界長期以來一直期待一種既具有預(yù)測能力又可擴展的微觀結(jié)構(gòu)特性控制方法。

在María Teresa Pérez-Prado的領(lǐng)導(dǎo)下，可持續(xù)冶金集團(tuán)致力于解決金屬加工中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。研究團(tuán)隊開發(fā)了一種實用方法，能夠在鎳基高溫合金的LPBF過程中實現(xiàn)精確的微觀結(jié)構(gòu)控制。該方法通過確定熔池重疊是一個關(guān)鍵的幾何參數(shù)，并進(jìn)行調(diào)整以實現(xiàn)所需的微觀結(jié)構(gòu)結(jié)果，從而實現(xiàn)了重大突破。

△大型 EBSDIPF 圖展示了二維微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計的示例。圖中所示的設(shè)計是 IMDEA Materials 可持續(xù)冶金研究小組的標(biāo)志。

IMDEA 對 IN939 的愿景

這項研究的重點是IN939，這是一種常用于航空航天和能源應(yīng)用的高性能鎳基高溫合金。它表現(xiàn)出優(yōu)異的抗高溫、抗氧化和抗蠕變性能。這些特性非常適合需要長時間暴露于惡劣條件下的應(yīng)用。然而，IN939的加工窗口狹窄，且在凝固過程中容易開裂，這使得它很難通過LPBF工藝進(jìn)行有效加工，并且不會引入結(jié)構(gòu)缺陷。

這項研究的核心創(chuàng)新在于對熔池重疊度的詳細(xì)研究，即LPBF工藝中相鄰激光路徑的交叉程度。通過系統(tǒng)地調(diào)整這種重疊度，研究人員能夠影響打印材料中的晶粒尺寸、形狀和取向。低于0.6的低重疊度可形成細(xì)晶粒、等軸結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)更加均勻，不易開裂。相反，較高的重疊度則促進(jìn)了細(xì)長、柱狀晶粒的生長，并具有較強的織構(gòu)。這一發(fā)現(xiàn)為局部微觀結(jié)構(gòu)控制打開了大門，使工程師能夠定制單個部件內(nèi)不同區(qū)域的內(nèi)部特性。

為了強化研究成果，IMDEA 團(tuán)隊將實踐實驗與先進(jìn)的建模技術(shù)相結(jié)合。他們重新表述了傳統(tǒng)上用于熱傳導(dǎo)預(yù)測的羅森塔爾方程，更適合 LPBF 的動態(tài)條件。此外，他們還開發(fā)了一種新的歸一化體積能量密度解釋，有助于解釋能量輸入在加工過程中如何與材料相互作用。這些模型提高了微觀結(jié)構(gòu)預(yù)測的準(zhǔn)確性，并為設(shè)計工藝參數(shù)提供了更穩(wěn)健的框架。

這項研究催生了一種預(yù)測工具，使制造商能夠以前所未有的精度定義和調(diào)整工藝參數(shù)?，F(xiàn)在，諸如激光功率、掃描速度、掃描距離和掃描軌道長度等變量可以直接與微觀結(jié)構(gòu)結(jié)果關(guān)聯(lián)。通過微調(diào)這些參數(shù)，我們不僅能夠制造形狀和尺寸優(yōu)化的組件，還能優(yōu)化材料性能，從而適應(yīng)零件各個部分的特定需求。

△通過LPBF打印制造的8×8×8 mm³立方體樣品。不同的灰色陰影表示不同的掃描參數(shù)。

瞄準(zhǔn)工業(yè)生產(chǎn)

與許多局限于實驗室環(huán)境的學(xué)術(shù)解決方案不同，IMDEA 的方法完全兼容工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。它能夠與快速掃描策略、較大的層厚以及標(biāo)準(zhǔn)掃描模式（例如層間旋轉(zhuǎn)移動的蜿蜒路徑）無縫協(xié)作。這確保了LPBF工藝的高效性和可擴展性，在滿足大規(guī)模制造的生產(chǎn)力要求的同時，保持質(zhì)量和結(jié)構(gòu)完整性。

這項研究的實際意義重大。通過對晶粒結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部控制，工程師可以設(shè)計出性能卓越的組件，例如在關(guān)鍵應(yīng)力區(qū)域提高抗疲勞性能，或在需要時增強導(dǎo)熱性。這項研究不僅推動了材料工程科學(xué)的發(fā)展，也為航空、發(fā)電和太空探索等各個領(lǐng)域的組件設(shè)計創(chuàng)新創(chuàng)造了機會。

本研究得到了西班牙科學(xué)、創(chuàng)新與大學(xué)部（PID2019–111285RB-I00項目）的大力支持。首席研究員Ignacio Rodríguez Barber作為部門授予的FPI獎學(xué)金（PRE2020–094256）的一部分開展了這項研究。他們的支持對于這項前沿研究從理論探索走向?qū)嶋H應(yīng)用至關(guān)重要。