南科大王帥團隊提出適用于3D打印金屬力學(xué)性能的預(yù)測模型

來源：南方科技大學(xué)

2022年5月，南方科技大學(xué)機械與能源工程系副教授王帥團隊在金屬增材制造領(lǐng)域取得研究進展，相關(guān)論文以“Evolution of dislocation cellular pattern in Inconel 718 alloy fabricated by laser powder-bed fusion”為題發(fā)表在增材制造領(lǐng)域頂刊Additive Manufacturing。研究團隊提出了一種適用于3D打印金屬力學(xué)性能的預(yù)測模型，有助于3D打印金屬的性能控制理論的發(fā)展，以期實現(xiàn)航空航天、新能源等關(guān)鍵領(lǐng)域關(guān)鍵裝備的“控形-控性”一體化高品質(zhì)制造。

位錯是晶體材料內(nèi)的一種微觀缺陷，位錯密度、分布和特征尺寸顯著影響晶體材料的宏觀力學(xué)性能。金屬3D打印是一項全新的數(shù)字化先進制造技術(shù)。采用3D打印技術(shù)制備的合金中普遍存在一種典型的晶粒內(nèi)部亞結(jié)構(gòu)——位錯胞狀結(jié)構(gòu)。盡管研究表明，位錯胞狀結(jié)構(gòu)是3D打印合金強度提高的主要原因，但是位錯胞狀結(jié)構(gòu)在塑性變形過程中的演化規(guī)律仍然不清楚，弄清楚位錯胞狀結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律對理解材料強化機制和加工硬化行為至關(guān)重要。

Inconel 718合金是目前應(yīng)用最為廣泛的高溫合金之一，在600℃以上仍具有良好的強度、疲勞壽命、抗腐蝕和抗蠕變性能，在航空航天、石油天然氣行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。研究團隊采用多尺度表征手段，系統(tǒng)研究了激光粉末床熔融技術(shù)制備的Inconel 718合金的微觀組織特征以及位錯胞狀結(jié)構(gòu)在拉伸變形過程中的演化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，Inconel 718合金中存在豐富的位錯結(jié)構(gòu)（圖1）。位錯胞狀結(jié)構(gòu)在拉伸變形中不會自分化演化（圖2），與經(jīng)過劇烈變形后金屬中產(chǎn)生的位錯胞不同。在拉伸變形過程中，合金的塑性變形方式主要由位錯滑移主導(dǎo)，在高應(yīng)變水平下變形孿晶也參與協(xié)調(diào)塑性變形。研究結(jié)果表明，位錯胞狀結(jié)構(gòu)的強化機制不能單純用Taylor公式或者Hall-Petch公式解釋（圖3）。

圖1激光粉末床熔融制備Inconel 718合金中豐富的位錯結(jié)構(gòu)

圖2位錯胞狀結(jié)構(gòu)在不同應(yīng)變下的形貌：A1-A2, ε=5%, B1-B2, ε=10%, C1-C2, ε=20%, D1-D2, ε=34.2% (strain-to-failure).

圖3位錯胞狀結(jié)構(gòu)尺寸與流變應(yīng)力關(guān)系

南方科技大學(xué)機械與能源工程系研究助理教授何明琳為論文第一作者，王帥為論文通訊作者。南科大是論文第一單位。該項目得到了國家自然科學(xué)基金以及深圳市科技創(chuàng)新委員會的支持。



論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S221486042200238X