基于熱力學(xué)計(jì)算的增材制造合金及工藝設(shè)計(jì)

供稿人：李鳴杰 王富 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

金屬增材制造技術(shù)具有復(fù)雜幾何形狀零件制備的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但是往往會(huì)因快速凝固的工藝特性而發(fā)生溶質(zhì)截留現(xiàn)象，即金屬原子無(wú)法及時(shí)從枝晶移動(dòng)擴(kuò)散至液相，致使固液界面的溶質(zhì)濃度梯度分布。這種局部不均勻成分會(huì)最終影響成型材料的組織和性能，而很少有研究是基于熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)對(duì)合金元素分配進(jìn)行控制與設(shè)計(jì)。因此亟需一種考慮增材制造非平衡溶質(zhì)分配的合金材料開(kāi)發(fā)體系。

德國(guó)馬普所的Zhongji Sun針對(duì)凝固末期形成的熱裂紋展開(kāi)大量研究工作，提出一種通過(guò)計(jì)算和調(diào)控元素分配來(lái)實(shí)現(xiàn)熱力學(xué)導(dǎo)向增材制造合金設(shè)計(jì)的方法。作者選用兩種不同Si含量的IN738LC合金來(lái)論證這個(gè)方法的有效性，首先從納米尺度量化了IN738LC的元素分配行為，其次根據(jù)固液線(xiàn)差值計(jì)算了枝晶間區(qū)域的凝固區(qū)間，最后通過(guò)模擬計(jì)算各相的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力來(lái)評(píng)估和選擇合金元素及所形成的相，如圖1。最終優(yōu)化的合金體系，在工藝參數(shù)調(diào)整的增材制造下，可以獲得無(wú)缺陷的零件。

圖1 熱力學(xué)導(dǎo)向合金設(shè)計(jì)及工藝設(shè)計(jì)原理圖

通過(guò)將熱力學(xué)計(jì)算的元素分配行為和裂紋發(fā)生區(qū)域進(jìn)行對(duì)比，研究發(fā)現(xiàn)硼元素枝晶間大量富集是導(dǎo)致IN738LC熱裂紋的根本原因。究其機(jī)理，一方面，快速凝固末期形成了富含硼元素的低熔點(diǎn)薄液化膜，促使裂紋沿薄膜開(kāi)裂。而另一方面，激光粉末床熔融工藝中激光反沖力造成的氣孔提供了熱裂紋的裂紋源。綜上所述，因此作者進(jìn)行了工藝優(yōu)化和成分調(diào)整，降低硼元素含量和減小激光功率，如圖2，并論證該基于熱力學(xué)的成分和工藝設(shè)計(jì)方法適合其他合金。

圖2 通過(guò)工藝優(yōu)化和成分調(diào)整后的0.11Si合金

從元素分配的角度，通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算，結(jié)合成分調(diào)整和工藝優(yōu)化兩種手段來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)裂紋高溫合金增材制造。該合金設(shè)計(jì)方法也具有較好的普適性，大大降低了合金體系的開(kāi)發(fā)成本，推動(dòng)高性能材料增材制造的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：
Zhongji,Sun,Yan,Ma,Dirk,Ponge,Stefan,Zaefferer,Eric A,Jägle,Baptiste,Gault,Anthony D,Rollett,Dierk,Raabe. Thermodynamics-guided alloy and process design for additive manufacturing.[J].Nature communications,2022,13(1):4361.