3D打印單晶高溫合金突破經(jīng)典理念

來源：增材制造技術(shù)前沿

航空發(fā)動機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)展可靠的葉片修復技術(shù)對航空發(fā)動機延壽、降成本至關(guān)重要。近些年來，3D打印憑借其“精準定位、可控增材”的特點在單晶葉片的修復/再制造領(lǐng)域展現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景。

△激光增材制造修復葉片

然而，3D打印材料凝固過程冷卻速度快的突出特點，極易造成高殘余應(yīng)力和高位錯密度的亞穩(wěn)態(tài)微觀組織結(jié)構(gòu)。這種亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)在標準熱處理或服役過程中容易發(fā)生再結(jié)晶，導致材料高溫力學性能下降，造成安全隱患。



由西安交通大學、美國麻省理工學院以及美國約翰霍普金斯大學組成的研究團隊刊文指出，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熱處理制度，可以解決單晶葉片3D打印修復后的再結(jié)晶問題，并提出了高溫合金塑性變形回復的新機制。

△3D打印鎳基單晶的微觀結(jié)構(gòu)演變，與研究的新型高溫還原退火相比較圖

高溫合金的標準熱處理制度一般由固溶、時效組成，實踐證明該工藝流程會導致3D打印高溫合金發(fā)生再結(jié)晶。研究團隊經(jīng)過系統(tǒng)的文獻調(diào)研與綜合分析，提出并證實在固溶前增加“回復”（Recovery）步驟，可以消除再結(jié)晶驅(qū)動力。

經(jīng)過“回復-固溶-時效”處理，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，位錯密度可降低至熱處理前的5%左右，時效后沉淀強化γ′相達到與鑄態(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，且在事實上起到了回復的效果，故將其命名為“筏化-回復”效應(yīng)（Rafting-enabled recovery）。

這一發(fā)現(xiàn)為防止3D打印單晶由于殘余應(yīng)力未消除而開裂提供了一種實用方法，為增材制造修復、恢復和重塑其他高溫合金單晶產(chǎn)品鋪平了道路；突破了經(jīng)典觀念所認為的“單晶高溫合金不具備回復能力”的認知，為設(shè)計3D打印高溫合金的非標準熱處理制度提供了科學依據(jù)，并表明新的熱處理制度完全能滿足3D打印單晶葉片修復的需求。

參考：Rafting-Enabled Recovery Avoids Recrystallization in 3D-Printing-Repaired Single-Crystal Superalloys