西安交大科研人員在3D打印單晶高溫合金領域取得突破

來源：交大新聞網(wǎng)

利用同步輻射微衍射、透射電鏡等先進表征技術，西安交大材料學院單智偉研究團隊從微觀結構演化的規(guī)律入手，為3D打印單晶高溫合金定制了熱處理制度，解決了單晶葉片3D打印修復后的再結晶問題，并提出了高溫合金塑性變形回復的新機制。

航空發(fā)動機的葉片由成本昂貴的單晶鎳基高溫合金制成。由于服役環(huán)境苛刻，單晶葉片容易受到局部損傷，發(fā)展可靠的葉片修復技術對航空發(fā)動機延壽、降成本至關重要。3D打印憑借其“精準定位、可控增材”的特點在單晶葉片的修復/再制造領域展現(xiàn)出誘人的應用前景。但由于3D打印冷卻速度快，容易造成高殘余應力、高位錯密度的亞穩(wěn)態(tài)微觀組織結構。這種亞穩(wěn)態(tài)結構在標準熱處理或服役過程中容易發(fā)生再結晶，導致材料高溫力學性能下降，造成安全隱患。因此急需針對3D打印單晶高溫合金目前存在的問題，研發(fā)一種新的工藝，使之滿足：無再結晶，應力小、位錯密度低，且g￠沉淀強化相的形貌、密度與基體高溫合金一致。

高溫合金的標準熱處理制度一般由固溶、時效組成，實踐證明該工藝流程會導致3D打印高溫合金發(fā)生再結晶。經(jīng)過系統(tǒng)的文獻調(diào)研與綜合分析，作者們提出并證實在固溶前增加“回復”（Recovery）步驟，可以消除再結晶驅動力。經(jīng)過“回復-固溶-時效”處理，先是高溫合金的殘余應力伴隨微觀組織γ′相的定向粗化而消除，且位錯密度可降低至熱處理前的5%左右，時效后沉淀強化γ′相達到與鑄態(tài)基材相同水平。因所發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象與高溫合金在高溫蠕變條件下發(fā)生的筏化效應（Rafting）相似，且在事實上起到了回復的效果，故將其命名為“筏化-回復”效應（Rafting-enabled recovery）。此發(fā)現(xiàn)突破了經(jīng)典觀念所認為的“單晶高溫合金不具備回復能力”的認知，為設計3D打印高溫合金的非標準熱處理制度提供了科學依據(jù)，并表明新的熱處理制度完全能滿足3D打印單晶葉片修復的需求。

該研究以《利用“筏化-回復”效應抑制3D打印修復單晶高溫合金的再結晶》（“Rafting-Enabled Recovery Avoids Recrystallization in 3D-Printing Repaired Single-Crystal Superalloys”）為題在材料學科權威期刊Advanced Materials上發(fā)表(doi: 10.1002/adma.201907164)。西安交通大學材料學院陳凱教授為論文的第一和通訊作者，西安交大單智偉教授，美國麻省理工學院李巨教授，約翰霍普金斯大學馬恩教授為論文的共同通訊作者。西安交大材料學院研究生黃潤秋、林思聰、朱文欣，長安大學李堯博士，美國勞倫斯伯克利國家實驗室Nobumichi Tamura博士等參與研究。研究工作得到國家自然科學基金與國家重點研發(fā)計劃的支持。