新技術(shù)：消除3D打印裂紋敏感性金屬部件中的裂紋

來源：江蘇激光聯(lián)盟

采用SLM技術(shù)制備鎳基高溫合金時，如CM247 LC高溫合金，容易產(chǎn)生焊接裂紋。這里為大家展示了一種新技術(shù)，在SLM的制造階段，如何利用激光噴丸（LSP）來不斷地抑制裂紋地產(chǎn)生。CM247 LC樣品采用不同的LSP參數(shù)進(jìn)行了制備，同時LSP參數(shù)對試樣的體積裂紋密度也進(jìn)行了評估。觀察發(fā)現(xiàn)在所有的實驗參數(shù)的條件下，裂紋的抑制情況可以降低到95%，顯示出該復(fù)合SLM+LSP的技術(shù)可以顯著地提高裂紋敏感合金地可加工性。

采用復(fù)合SLM+LSP技術(shù)對葉片進(jìn)行加工的應(yīng)用案例

項目背景
Ni基高溫合金具有優(yōu)異的性能，如耐高溫、耐腐蝕，而在高溫應(yīng)用場合得到重要的應(yīng)用，如汽輪機(jī)和噴氣式飛機(jī)的發(fā)動機(jī)及其葉片。

在眾多的高溫合金當(dāng)中，CM247 LC高溫合金在高溫條件下具有優(yōu)異的抗蠕變和抗腐蝕的性能，使得該高溫合金成為制造承受高載荷和高溫環(huán)境下應(yīng)用的渦輪葉片。CM247 LC合金是依靠高含量的γ′有序二次相進(jìn)行強(qiáng)化的，并且屬于非常容易產(chǎn)生裂紋的高溫合金。不管是采用熔化焊接還是SLM 3D打印對其進(jìn)行加工，均非常容易產(chǎn)生裂紋。對于Ni基高溫合金，有四種機(jī)制可以解釋其裂紋的形成原因，這些原因?qū)τ贑M247 LC高溫合金來說，同樣適用。

1)凝固裂紋（熱撕裂）經(jīng)常發(fā)生在材料處于部分固態(tài)的時候（凝固的熔池或者蘑菇區(qū)，蘑菇就是固體和液體的混合區(qū)），結(jié)果殘余的液體在枝晶間區(qū)存在。由于凝固造成殘余拉伸應(yīng)力的存在，進(jìn)入液相區(qū)的液體就成為裂紋的起點。

2)液相裂紋大多發(fā)生在熱影響區(qū)（Heat Affected Zone (HAZ)），并且一些研究學(xué)者指出該機(jī)理是在低能量焊接時產(chǎn)生裂紋的主要原因。在HAZ，低熔點的相，如 γ-γ′ 共晶存在化學(xué)成分上的不均勻性，在晶界形成液相薄膜。由于液相薄膜不能提供凝固收縮造成的液體供給（TRS是收縮造成的），從而形成裂紋源。

3)應(yīng)變時效裂紋（Strain-age cracking (SAC) ）同Ni基高溫合金的后熱處理相關(guān)。SAC的發(fā)生同焊接材料在時效區(qū)進(jìn)行再加熱相關(guān)。SAC的機(jī)制在于兩個相互競爭的機(jī)制。首先，在后熱處理時殘余應(yīng)力的釋放。另外一方面， γ′ 保持析出，從而使得合金的韌性下降，由此導(dǎo)致新的額外的殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。如果殘余應(yīng)力導(dǎo)致的應(yīng)變超過韌性的極限，就會在晶界邊界產(chǎn)生裂紋，通常是在碳化物的邊界產(chǎn)生。在SLM進(jìn)行打印的時候，在沉積新層時，不斷反復(fù)的加熱，同焊接后的再熱比較類似，只是程度上同焊接后的再熱不同而已。

4)延性深入裂紋（Ductility-dip cracking (DDC)）是一種蠕變機(jī)制性的裂紋，不能高到可以實現(xiàn)動態(tài)再結(jié)晶，但卻足夠發(fā)生晶界滑移。后者就造成在晶界的三角連接區(qū)產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而造成孔洞或者裂紋。

項目成果的示意圖（左圖）及其處理前后金相對比（右圖）

SLM制造高溫合金已經(jīng)被被廣泛的給予了研究。各種策略被提出來用于減少裂紋的密度，如優(yōu)化SLＭ的工藝參數(shù)，應(yīng)用熱等靜壓（ Hot Isostatic Pressing (HIP)）以及調(diào)制化學(xué)成分等。HIP工藝通常會導(dǎo)致晶粒的粗大，這對后期部件的機(jī)械性能有損傷。Carter等人認(rèn)為高溫合金CM247 LC 產(chǎn)生裂紋的機(jī)制是DDC，因為在裂紋的附近可以觀察到大角度晶界。在SLM制造IN738 LC（另外一種 γ′強(qiáng)化的Ni基高溫合金）的時候，觀察到液相裂紋的存在。在裂紋表面的枝晶結(jié)構(gòu)以及低熔點的合金元素是這一裂紋產(chǎn)生的兩個最直接的證據(jù)。

盡管對于γ′強(qiáng)化的Ni高溫合金的裂紋形成機(jī)制還存在爭議，但所有的機(jī)制都需有 TRS應(yīng)力場的存在來促進(jìn)裂紋的萌生和擴(kuò)展。

復(fù)合3D打印和激光沖擊的先進(jìn)的復(fù)合技術(shù)（3D LSP），是重復(fù)的在3D打印過程中利用LSP這一沖擊強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行沖擊強(qiáng)化。這一技術(shù)是瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院（洛桑）的研究人員發(fā)展的新技術(shù)。早期的研究表明，LSP可以將SLM制造過程中的TRS轉(zhuǎn)換為殘余壓應(yīng)力（compressive residual stresses (CRS)）。

當(dāng)LSP重復(fù)不斷地沖擊若干層SLM制造層，則會造成CRS的積累，即CRS的深度和程度都會得到加強(qiáng)。得益于3D LSP技術(shù)可以提高部件地尺寸精度和提高部件的疲勞抗力。LSP技術(shù)還可以導(dǎo)致儲存的應(yīng)變能增加，這可以進(jìn)一步地有助于在后續(xù)熱處理時導(dǎo)致組織的再結(jié)晶。

γ′強(qiáng)化的Ni高溫合金在焊接或者SLM過程中極易產(chǎn)生裂紋。裂紋的產(chǎn)生是TRS導(dǎo)致的，不管產(chǎn)生裂紋的機(jī)制是哪一種？從工業(yè)角度出發(fā)，不管是什么樣的工件，存在裂紋都是需要廢棄的。抑制裂紋的發(fā)生是最為重要的一件事情。對 SLM樣品的沉積態(tài)和經(jīng)過3D LSP處理后的試樣進(jìn)行了對比和對裂紋密度進(jìn)行了測量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)3D LSP之后裂紋得到顯著的抑制。并對裂紋的抑制機(jī)制也進(jìn)行了探討。

在SLM制造n層之后進(jìn)行LSP 的3D LSP示意圖

來自瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院（洛桑）（Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL)）的研究人員發(fā)展了一種新的3D打印技術(shù)來制造金屬部件，該金屬部件具有前所未有的耐高溫、耐損傷和耐腐蝕的能力。這一技術(shù)可以應(yīng)用的范圍非常廣泛，從航空航天到電力葉片，均可以應(yīng)用。

如今制造商開始逐漸采用SLM技術(shù)來打印金屬部件。使用SLM技術(shù)來打印時，高功率的激光束熔化金屬基材和金屬粉末，然后不斷掃描、層層堆積形成3D形態(tài)的金屬部件。多余的粉末在3D打印技術(shù)后將被移除。SLM技術(shù)進(jìn)行打印時，其中一個弊端在于非常容易產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力的積累tensile residual stresses (TRS)，這一TRS往往會導(dǎo)致部件產(chǎn)生裂紋和扭曲。如果不能在加工的過程種或者加工后對TRS進(jìn)行釋放，TRS就會嚴(yán)重的影響部件的疲勞壽命。
此外，有些金屬和合金是不能經(jīng)受SLM加工的來回的高溫變化（如高溫合金CM247LC），會導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

每SLM20層就進(jìn)行LSP處理，且LSP處理時搭接率為80％的結(jié)果

來自瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院（洛桑）的研究人員發(fā)展了一種新的辦法，即在激光增材制造的過程中，每制造幾層后就進(jìn)行二次激光處理。這一處理辦法則顯著的降低了裂紋的傾向性，而且制造出來的金屬部件具有前所未有的抵抗高溫、腐蝕和損傷的能力。

這一專利技術(shù)，發(fā)表在期刊《 Additive Manufacturing》上，可以用來制造新一代電力用渦輪葉片或航空中的關(guān)鍵部件。

不同狀態(tài)下的金相組織

圖解：ａ）SLM制造后沉積態(tài)的金相；ｂ）SLM制造時，每20層進(jìn)行LSP后且沒有進(jìn)行熱處理之后的金相組織；ｃ）SLM制造時，每20層進(jìn)行LSP后且進(jìn)行熱處理之后的金相組織；ｄ）SLM制造時，每20層進(jìn)行LSP后且進(jìn)行熱處理，然后再經(jīng)過化學(xué)腐蝕之后的金相組織；

沖擊波
據(jù)了解，研究人員發(fā)現(xiàn)，在制造Ni基高溫合金時，該技術(shù)可以排除高達(dá)95%的裂紋生成傾向。該技術(shù)打算用來排除其他類型的裂紋敏感合金的打印。

該技術(shù)時如何工作的？
研究人員采用大家已經(jīng)熟知的激光噴丸設(shè)備（ laser shock peening, or LSP）來愈合在3D打印過程中產(chǎn)生的裂紋。LSP周期性的利用高能激光脈沖作用在制造過程中的部件表面。這一激光脈沖作用時，其高能脈沖就像一個“錘子”敲打工件表面，將激光沖擊波從材料中進(jìn)行輸送。

這一辦法包括兩類激光。第一類激光用來熔化金屬粉末和加熱熔化的材料，而第二束激光則用來在部件產(chǎn)生應(yīng)力，尤其是在可能產(chǎn)生裂紋的地方產(chǎn)生應(yīng)力波來抑制裂紋的產(chǎn)生。激光噴丸一般用來進(jìn)行表面處理。但在目前這個項目中，LSP成為對塊體材料進(jìn)行處理的一種手段。這是因為該技術(shù)（LSP）的處理過程伴隨著3D材料構(gòu)建的過程進(jìn)行的。

復(fù)合技術(shù)3D LSP進(jìn)行抑制裂紋的機(jī)制

目前已經(jīng)有好幾類材料使用該種新技術(shù)進(jìn)行了制造。這一復(fù)合的LSP+SLＭ技術(shù)的應(yīng)用的確可以抑制裂紋的產(chǎn)生。我們（研究人）對該技術(shù)的了解及其該技術(shù)可能的潛在應(yīng)用還只是剛剛開始。

文章來源: Nikola Kalentics et al. Healing cracks in selective laser melting by 3D laser shock peening, Additive Manufacturing (2019). DOI: 10.1016/j.addma.2019.100881