西安交大科研人員在3D打印單晶高溫合金領(lǐng)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(jìn)表征技術(shù)，西安交大材料學(xué)院?jiǎn)沃莻パ芯繄F(tuán)隊(duì)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了熱處理制度，解決了單晶葉片3D打印修復(fù)后的再結(jié)晶問題，并提出了高溫合金塑性變形回復(fù)的新機(jī)制。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)技術(shù)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)延壽、降成本至關(guān)重要。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。但由于3D打印冷卻速度快，容易造成高殘余應(yīng)力、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。因此急需針對(duì)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(jié)晶，應(yīng)力小、位錯(cuò)密度低，且g￠沉淀強(qiáng)化相的形貌、密度與基體高溫合金一致。

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。經(jīng)過系統(tǒng)的文獻(xiàn)調(diào)研與綜合分析，作者們提出并證實(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“回復(fù)-固溶-時(shí)效”處理，先是高溫合金的殘余應(yīng)力伴隨微觀組織γ′相的定向粗化而消除，且位錯(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）。此發(fā)現(xiàn)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。

該研究以《利用“筏化-回復(fù)”效應(yīng)抑制3D打印修復(fù)單晶高溫合金的再結(jié)晶》（“Rafting-Enabled Recovery Avoids Recrystallization in 3D-Printing Repaired Single-Crystal Superalloys”）為題在材料學(xué)科權(quán)威期刊Advanced Materials上發(fā)表(doi: 10.1002/adma.201907164)。西安交通大學(xué)材料學(xué)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(guó)麻省理工學(xué)院李巨教授，約翰霍普金斯大學(xué)馬恩教授為論文的共同通訊作者。西安交大材料學(xué)院研究生黃潤(rùn)秋、林思聰、朱文欣，長(zhǎng)安大學(xué)李堯博士，美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Nobumichi Tamura博士等參與研究。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金與國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。