基于掃描策略驅(qū)動(dòng)微結(jié)構(gòu)調(diào)整，減少3D打印CM247LC合金渦輪葉片開(kāi)裂

2025年4月18日，南極熊獲悉，來(lái)自的查爾姆斯理工大學(xué)的一項(xiàng)新研究顯示有望解決增材制造渦輪葉片中的開(kāi)裂問(wèn)題，可提高燃?xì)廨啓C(jī)的可靠性和效率。金屬增材制造中心 (CAM2) 的研究人員開(kāi)發(fā)了一種通過(guò)改進(jìn)掃描策略以控制LPBF CM247LC高溫合金凝固裂紋的增材制造方法，可以減少暴露在極端高溫高壓下的金屬部件的開(kāi)裂和殘余應(yīng)力。

相關(guān)研究以題為“Microstructure tailoring for crackmitigation in CM247LC manufactured by powder bed fusion – Laser beam”的論文發(fā)布在《增材制造》期刊上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2025.104672

燃?xì)廨啓C(jī)在嚴(yán)苛的條件下運(yùn)行，其部件承受著極端溫度和機(jī)械負(fù)荷。制造這些部件時(shí)的一個(gè)主要問(wèn)題是開(kāi)裂，開(kāi)裂會(huì)削弱金屬?gòu)?qiáng)度并縮短其使用壽命。

在CAM2，研究人員開(kāi)發(fā)出一種通過(guò)調(diào)整金屬加工方式來(lái)減少增材制造開(kāi)裂的方法。他們沒(méi)有使用長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的激光掃描，而是測(cè)試了更短的激光掃描模式，以更好地控制熱量輸入。這種調(diào)整有助于更均勻地將熱量分布在材料上，從而降低形成裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。

掃描條紋寬度分別為 (a) 5 毫米、(b) 2.5 毫米、(c) 1 毫米、(d) 0.7 毫米、(e)0.5 毫米和 (f) 0.2 毫米的樣品的光學(xué)顯微鏡(OM) 圖像。所有圖像的比例與 (a) 中所示相同，裂紋密度（單位為 mm/mm 2）標(biāo)示于右上角。

查爾姆斯理工大學(xué)金屬增材制造博士生 Ahmed Fardan JabirHussain 表示：“結(jié)果表明，這種掃描策略有助于最大限度地減少凝固開(kāi)裂和殘余應(yīng)力，從而提高該合金的整體加工性能。”

雖然該研究的重點(diǎn)是一種常用于燃?xì)廨啓C(jī)的特定高性能合金 CM247LC ，但其研究結(jié)果也可能使其他容易出現(xiàn)類似開(kāi)裂問(wèn)題的材料受益。

右上角：CAM2的EBSD圖像，其中字母以 5 毫米條紋寬度打印，背景以 0.2 毫米條紋寬度打印，以展示微觀結(jié)構(gòu)定制的潛力。來(lái)源：查爾姆斯理工學(xué)院。

艾哈邁德表示：“開(kāi)裂在生產(chǎn)過(guò)程和熱處理過(guò)程中都會(huì)發(fā)生，這限制了這些材料的使用。這項(xiàng)研究使我們更接近于使這些材料更適用于此類應(yīng)用。”

這項(xiàng)研究最有前景的方面之一是降低殘余應(yīng)力的潛力，而殘余應(yīng)力是防止應(yīng)變時(shí)效開(kāi)裂 (SAC) 的關(guān)鍵因素。SAC 是應(yīng)力集中區(qū)域附近的常見(jiàn)問(wèn)題，尤其是在渦輪葉片等最終部件中。這項(xiàng)改進(jìn)的工藝有望生產(chǎn)出更堅(jiān)固、更耐用、更能承受高溫和應(yīng)力的部件。

Ahmed 表示：“短矢量掃描策略可以局部應(yīng)用于應(yīng)力集中點(diǎn)附近，從而形成抗應(yīng)變時(shí)效開(kāi)裂的微觀結(jié)構(gòu)。這種微觀結(jié)構(gòu)定制對(duì)于使用此類合金進(jìn)行制造的行業(yè)來(lái)說(shuō)非常有吸引力。”

研究團(tuán)隊(duì)還在努力確保材料能夠長(zhǎng)時(shí)間承受極端高溫而不變形，這種特性被稱為蠕變性能。這對(duì)于在高溫和高負(fù)荷下運(yùn)行的渦輪葉片來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

Ahmed表示：“這些合金專為燃?xì)廨啓C(jī)的熱部件（例如渦輪葉片）而設(shè)計(jì)。這些葉片需要承受極高的載荷和溫度，因此必須具備強(qiáng)大的高溫蠕變性能。我們目前正在改進(jìn)這些性能，使其蠕變性能更接近鑄造材料�！�