3D打印單晶高溫合金突破經(jīng)典理念

來(lái)源：增材制造技術(shù)前沿

航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)技術(shù)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)延壽、降成本至關(guān)重要。近些年來(lái)，3D打印憑借其“精準(zhǔn)定位、可控增材”的特點(diǎn)在單晶葉片的修復(fù)/再制造領(lǐng)域展現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景。

△激光增材制造修復(fù)葉片

然而，3D打印材料凝固過(guò)程冷卻速度快的突出特點(diǎn)，極易造成高殘余應(yīng)力和高位錯(cuò)密度的亞穩(wěn)態(tài)微觀組織結(jié)構(gòu)。這種亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)熱處理或服役過(guò)程中容易發(fā)生再結(jié)晶，導(dǎo)致材料高溫力學(xué)性能下降，造成安全隱患。



由西安交通大學(xué)、美國(guó)麻省理工學(xué)院以及美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)組成的研究團(tuán)隊(duì)刊文指出，從微觀結(jié)構(gòu)演化的規(guī)律入手，為3D打印單晶高溫合金定制熱處理制度，可以解決單晶葉片3D打印修復(fù)后的再結(jié)晶問(wèn)題，并提出了高溫合金塑性變形回復(fù)的新機(jī)制。

△3D打印鎳基單晶的微觀結(jié)構(gòu)演變，與研究的新型高溫還原退火相比較圖

高溫合金的標(biāo)準(zhǔn)熱處理制度一般由固溶、時(shí)效組成，實(shí)踐證明該工藝流程會(huì)導(dǎo)致3D打印高溫合金發(fā)生再結(jié)晶。研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的文獻(xiàn)調(diào)研與綜合分析，提出并證實(shí)在固溶前增加“回復(fù)”（Recovery）步驟，可以消除再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力。

經(jīng)過(guò)“回復(fù)-固溶-時(shí)效”處理，高溫合金的殘余應(yīng)力伴隨微觀組織γ′相的定向粗化而消除，位錯(cuò)密度可降低至熱處理前的5%左右，時(shí)效后沉淀強(qiáng)化γ′相達(dá)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(yīng)（Rafting）相似，且在事實(shí)上起到了回復(fù)的效果，故將其命名為“筏化-回復(fù)”效應(yīng)（Rafting-enabled recovery）。

這一發(fā)現(xiàn)為防止3D打印單晶由于殘余應(yīng)力未消除而開裂提供了一種實(shí)用方法，為增材制造修復(fù)、恢復(fù)和重塑其他高溫合金單晶產(chǎn)品鋪平了道路；突破了經(jīng)典觀念所認(rèn)為的“單晶高溫合金不具備回復(fù)能力”的認(rèn)知，為設(shè)計(jì)3D打印高溫合金的非標(biāo)準(zhǔn)熱處理制度提供了科學(xué)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(fù)的需求。

參考：Rafting-Enabled Recovery Avoids Recrystallization in 3D-Printing-Repaired Single-Crystal Superalloys