南科大王帥團隊提出適用于3D打印金屬力學性能的預測模型

來源：南方科技大學

2022年5月，南方科技大學機械與能源工程系副教授王帥團隊在金屬增材制造領(lǐng)域取得研究進展，相關(guān)論文以“Evolution of dislocation cellular pattern in Inconel 718 alloy fabricated by laser powder-bed fusion”為題發(fā)表在增材制造領(lǐng)域頂刊Additive Manufacturing。研究團隊提出了一種適用于3D打印金屬力學性能的預測模型，有助于3D打印金屬的性能控制理論的發(fā)展，以期實現(xiàn)航空航天、新能源等關(guān)鍵領(lǐng)域關(guān)鍵裝備的“控形-控性”一體化高品質(zhì)制造。

位錯是晶體材料內(nèi)的一種微觀缺陷，位錯密度、分布和特征尺寸顯著影響晶體材料的宏觀力學性能。金屬3D打印是一項全新的數(shù)字化先進制造技術(shù)。采用3D打印技術(shù)制備的合金中普遍存在一種典型的晶粒內(nèi)部亞結(jié)構(gòu)——位錯胞狀結(jié)構(gòu)。盡管研究表明，位錯胞狀結(jié)構(gòu)是3D打印合金強度提高的主要原因，但是位錯胞狀結(jié)構(gòu)在塑性變形過程中的演化規(guī)律仍然不清楚，弄清楚位錯胞狀結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律對理解材料強化機制和加工硬化行為至關(guān)重要。

Inconel 718合金是目前應用最為廣泛的高溫合金之一，在600℃以上仍具有良好的強度、疲勞壽命、抗腐蝕和抗蠕變性能，在航空航天、石油天然氣行業(yè)有著廣泛的應用。研究團隊采用多尺度表征手段，系統(tǒng)研究了激光粉末床熔融技術(shù)制備的Inconel 718合金的微觀組織特征以及位錯胞狀結(jié)構(gòu)在拉伸變形過程中的演化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，Inconel 718合金中存在豐富的位錯結(jié)構(gòu)（圖1）。位錯胞狀結(jié)構(gòu)在拉伸變形中不會自分化演化（圖2），與經(jīng)過劇烈變形后金屬中產(chǎn)生的位錯胞不同。在拉伸變形過程中，合金的塑性變形方式主要由位錯滑移主導，在高應變水平下變形孿晶也參與協(xié)調(diào)塑性變形。研究結(jié)果表明，位錯胞狀結(jié)構(gòu)的強化機制不能單純用Taylor公式或者Hall-Petch公式解釋（圖3）。

圖1激光粉末床熔融制備Inconel 718合金中豐富的位錯結(jié)構(gòu)

圖2位錯胞狀結(jié)構(gòu)在不同應變下的形貌：A1-A2, ε=5%, B1-B2, ε=10%, C1-C2, ε=20%, D1-D2, ε=34.2% (strain-to-failure).

圖3位錯胞狀結(jié)構(gòu)尺寸與流變應力關(guān)系

南方科技大學機械與能源工程系研究助理教授何明琳為論文第一作者，王帥為論文通訊作者。南科大是論文第一單位。該項目得到了國家自然科學基金以及深圳市科技創(chuàng)新委員會的支持。



論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S221486042200238X