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一種3D打印的高強度、抗缺陷高溫合金!《Nature》子刊

增材制造有望實現(xiàn)高經(jīng)濟價值金屬材料生產(chǎn)的重大轉(zhuǎn)變,使具有創(chuàng)新、復(fù)雜的設(shè)計和最小的材料浪費成為可能。最大的挑戰(zhàn)是合金設(shè)計,既要與獨特的添加劑處理條件兼容,又要保證材料性能足以應(yīng)對能源、空間和核應(yīng)用等具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境。


近日,來自美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校的Tresa M. Pollock等研究者,報道了一類高強度、抗缺陷的3D打印高溫合金,成分主要是含有大約相等的Co和Ni,以及Al、Cr、Ta和W。在打印和后期加工時具有超過1.1 GPa的強度,在室溫下拉伸延性大于13%。相關(guān)論文以題為“A defect-resistant Co–Ni superalloy for 3D printing”發(fā)表在NatureCommunications上。

論文鏈接:
https://www.nature.com/articles/s41467-020-18775-0


基于金屬的增材制造(AM),或三維打印(3D),能夠以優(yōu)化的幾何形狀制造接近凈形狀的金屬部件,這是傳統(tǒng)制造技術(shù)無法實現(xiàn)的。由于設(shè)計靈活性的提高,人們對將3D打印方法應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、汽車和航空航天的商用合金產(chǎn)生了濃厚的興趣。然而,只有有限數(shù)量的現(xiàn)有合金能夠適應(yīng)金屬基體AM過程中出現(xiàn)的復(fù)雜熱條件,即通過激光或電子束能量源對金屬粉末進(jìn)行局部熔化來實現(xiàn)組件的逐層生長。

由于鎳基高溫合金在高溫下具有優(yōu)異的機械性能,因此它們是制造結(jié)構(gòu)部件的首選材料,如用于飛機發(fā)動機和陸地天然氣渦輪高溫部分的單晶(SX)渦輪葉片和葉片。這些合金由高體積分?jǐn)?shù)(>0.6)亞微米尺寸的立方型析出相γ′(Ni3(Al,Ti),L12)組成,這些析出相與固溶強化基體相一致,或γ相(Ni, A1)。然而,許多性能最好的鎳基高溫合金被發(fā)現(xiàn)是不可焊的,這是由于凝固后不久的凝固相γ′快速沉淀,增強了附近凝固的材料,阻礙了熱應(yīng)力的松弛,導(dǎo)致應(yīng)變時效開裂。

當(dāng)液相γ凝固時,通過γ′排斥形成液相的元素,如鋁、鈦和Ta,使液相局部富集。這種溶質(zhì)分離降低了局部液相線的溫度,在固體枝晶之間形成了富含溶液的液體薄膜,在冷卻過程中,固體枝晶在熔體池中以不同的速率收縮,導(dǎo)致拉應(yīng)力和開裂。在給定溫度下,通過改變合金成分,控制液相成分和組分,可以影響裂紋敏感性。原則上,溶質(zhì)的分離和沉淀過程可以被整體成分的變化所改變。

高性能工程合金的開裂敏感性,包括高容積率γ′鎳基高溫合金,高強度鋁合金和耐火合金,成為了這些合金用于增材制造的主要障礙。對于在較低溫度下工作的合金,如高強度鋁合金,通過對粉末表面功能化來控制熔池中的晶粒形核可以減輕裂紋問題。然而,這導(dǎo)致晶粒尺寸小,不宜高溫操作。因此,AM需要創(chuàng)新的合金設(shè)計,尤其是在更惡劣的環(huán)境下。

本文中,研究者提出了一種可以通過選擇性激光熔煉(SLM)和電子束熔煉(EBM)兩種制造途徑加工的CoNi-基高溫合金,盡管存在高體積分?jǐn)?shù)的理想“熔化”相γ′,但仍可產(chǎn)生無裂紋的部件。在凝固過程中,較低的溶質(zhì)偏析降低了裂紋敏感性,而一旦凝固完成,降低的液相γ′-“溶解”溫度減輕了開裂。室溫拉伸試驗表明,與目前正在研究的其他鎳基高溫合金相比,CoNi-基高溫合金具有優(yōu)良的延性和強度組合。

圖1 利用EBM和SLM增材制造CoNi-基高溫合金

圖2 在布里奇曼澆鑄、EBM和SLM后的打印化學(xué)分離

圖3 定量EPMA的地圖

圖4 EBM在后處理前后的微觀結(jié)構(gòu)演變

圖5 后處理前后SLM的微觀結(jié)構(gòu)演變

圖6 SB-CoNi-10在室溫下EBM和SLM的拉伸試驗

圖7 EBM事后拉伸標(biāo)本的EBSD

綜上所述,研究者最近開發(fā)的CoNi-基高溫合金SB-CoNi-10,已經(jīng)成功地使用EBM和SLM進(jìn)行了打印。打印的微觀結(jié)構(gòu)顯示,在EBM和SLM凝固過程中,良好的溶質(zhì)分配與良好的γ′-“溶解”溫度相結(jié)合,可以抑制開裂。對CoNi-基高溫合金成分進(jìn)一步研究,對今后的AM應(yīng)用具有廣闊的前景。新興的高通量實驗和計算工具現(xiàn)在能夠快速探索多維成分空間,以發(fā)現(xiàn)AM所需的合金。
(文:水生)

本文來自微信公眾號“材料科學(xué)與工程”。


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