哈工大頂刊：高溫合金增減材復(fù)合制造中的顯微組織和殘余應(yīng)力演變

來(lái)源：材料科學(xué)與工程

增材制造(AM)技術(shù)的出現(xiàn)不僅大幅提升了工件的生產(chǎn)效率，同時(shí)也極大的滿足了工業(yè)上對(duì)大規(guī)模個(gè)性化加工的需求，在全球范圍內(nèi)得到廣泛關(guān)注。然而，傳統(tǒng)AM技術(shù)由于加工精度過(guò)低導(dǎo)致工件表面具有較大的粗糙度，二次減材(SM)加工不可避免。近年來(lái)，增減材復(fù)合制造(ASHM)技術(shù)的快速發(fā)展則為復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的一體化制備提供了一個(gè)新思路。作為基于AM技術(shù)的計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床的二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，ASHM技術(shù)集成了AM和SM工藝，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件在同一設(shè)備上的連續(xù)“沉積-銑削”加工。然而激光AM過(guò)程中產(chǎn)生的溫度梯度過(guò)大，將不可避免地導(dǎo)致工件內(nèi)部殘余應(yīng)力增大，后續(xù)的SM加工使殘余應(yīng)力的耦合進(jìn)一步復(fù)雜化。此外，SM工藝會(huì)在工件表面產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形，改變AM工件原有的微觀組織。不可預(yù)測(cè)的組織結(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)力演變將顯著影響ASHM工件的服役性能。

基于上述背景，哈爾濱工業(yè)大學(xué)黃永江教授團(tuán)隊(duì)選擇航空、航天工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的Inconel718(IN718)鎳基高溫合金為模型材料，考慮到ASHM中常見(jiàn)的兩種SM情況，即冷卻后銑削(室溫銑削，MC)和AM后立即帶溫銑削(高溫銑削，MAM)，通過(guò)ASHM設(shè)備制備了基于激光定向能量沉積(LDED)的AM和ASHM制造的IN718樣品。通過(guò)實(shí)驗(yàn)、有限元和分子動(dòng)力學(xué)模擬，探究了IN718在ASHM全過(guò)程中(包括AM和后續(xù)SM)的微觀組織、殘余應(yīng)力和銑削力的演變。此研究旨在為復(fù)雜金屬工件在交替循環(huán)熱力耦合條件下的組織、應(yīng)力和形狀調(diào)控提供理論指導(dǎo)。相關(guān)論文以題為L(zhǎng)DED-based additive-subtractive hybrid manufacturing of Inconel 718 superalloy: Evolution of microstructure and residual stress發(fā)表在增材制造領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Virtual and Physical Prototyping》(2024,Vol.19,No.1,e2400329)。該文章第一作者為博士生劉昌煜，通訊作者為黃永江教授和寧志良副教授，共同作者有孫劍飛教授、博士生高小余、趙文杰、王楠、呂陽(yáng)。

論文鏈接: https://doi.org/10.1080/17452759.2024.2400329

圖1 IN718合金的增減材復(fù)合制造：(a) 增減材一體設(shè)備；(b) IN718原料粉末的SEM圖像和XRD (插圖)；(c) LDED加工工藝；(d) AM樣品；(e) MC樣品；(f) MAM樣品。

三組樣品采用相同的AM工藝制成。AM成型后在MC和MAM樣品上表面進(jìn)行銑削加工，它們的差異在于銑削時(shí)樣品內(nèi)部的溫度不同。

圖2 AM、MC和MAM的IN718合金樣品的EBSD圖譜：(a) 樣品截面的KAM圖；(b) 樣品截面的BC圖；(c) GND密度沿(a)中標(biāo)記方向的分布。

EBSD結(jié)果表明，與MAM樣品相比，銑削導(dǎo)致的高應(yīng)變、小角度晶界(LAGBs)以及高幾何必須位錯(cuò)密度(ρGND)在MC樣品中的分布區(qū)域更深。

圖3 AM、MC和MAM的IN718合金樣品在距離表面不同距離處的透射電子顯微鏡(TEM)圖像：(a1)~(a3) AM樣品；(b1)~(b3) MC樣品；(c1)~(c3) MAM樣品；(a1, b1, c1) 距離表面25 μm處；(a2, b2, c2) 距離表面50 μm處；(a3, b3, c3) 距離表面75 μm處。

透射電子顯微鏡(TEM)觀察到銑削加工使樣品的近表面區(qū)域產(chǎn)生了梯度納米晶(GNG)結(jié)構(gòu)。與MC樣品相比，MAM樣品的GNG結(jié)構(gòu)分布的更深，相同位置下其位錯(cuò)密度也更大。

圖4 AM、MC和MAM的IN718合金樣品的殘余應(yīng)力分布：(a) 最表面納米壓痕的載荷-位移曲線；(b) 沿深度的殘余應(yīng)力分布。

銑削加工為樣品的表面區(qū)域引入了殘余壓應(yīng)力。與MC樣品相比，MAM樣品的最表層殘余壓應(yīng)力值更大，但其壓應(yīng)力的分布區(qū)域更淺。

圖5 銑削過(guò)程有限元模擬：(a) 有限元模擬模型及其網(wǎng)格劃分；(b) 室溫下的Mises應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D；(c) 高溫下的Mises應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D；(d) 分別從(b)和(c)的中心區(qū)域取截面，分別為中心沿銑削深度的Mises應(yīng)力分布；(f)、(g)和(h) 不同銑削溫度下沿X、Y和Z軸的銑削力。

有限元仿真模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果相符，高溫銑削樣品的應(yīng)力分布和銑削力均小于室溫銑削樣品。

圖6 銑削過(guò)程的分子動(dòng)力學(xué)模擬：(a) 模型；(b) 室溫和高溫銑削中的位錯(cuò)和層錯(cuò)；(c) 室溫和高溫銑削中的位錯(cuò)總數(shù)、總長(zhǎng)度和最大滑移深度；(d) 室溫和高溫銑削中的再結(jié)晶原子；(e) 室溫和高溫銑削中的再結(jié)晶原子數(shù)統(tǒng)計(jì)。

同TEM的結(jié)果相對(duì)應(yīng)，分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果表明，相比于高溫銑削，室溫銑削時(shí)位錯(cuò)的總數(shù)、總長(zhǎng)度和最大滑移距離都更大，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶更強(qiáng)烈，表明在室溫銑削下工件表面產(chǎn)生的塑性變形更劇烈。

圖7 MC和MAM的IN718合金樣品的塑性變形程度和位錯(cuò)分布示意圖：(a) 塑性變形程度示意圖；(b) 密集位錯(cuò)；(c) 位錯(cuò)湮滅和重排。

總的來(lái)說(shuō)，本工作探討了IN718合金在ASHM全過(guò)程中的顯微組織、殘余應(yīng)力和銑削力的演變規(guī)律。SM過(guò)程使樣品表面產(chǎn)生了梯度塑性變形，導(dǎo)致GNG結(jié)構(gòu)、LAGBs和殘余壓應(yīng)力的生成。由于SM時(shí)存在較高的內(nèi)部溫度，熱軟化效應(yīng)導(dǎo)致高溫SM樣品所承受的銑削力更低，且動(dòng)態(tài)恢復(fù)導(dǎo)致了高溫SM樣品的GNG結(jié)構(gòu)、LAGBs和殘余壓應(yīng)力在深度方向的分布范圍更淺。因此，在常用的ASHM工藝中，AM后立即SM的方式在樣品表面產(chǎn)生的塑性變形程度較室溫SM更低，更低的銑削力以及更小的塑性變形延長(zhǎng)了刀具的使用壽命，將在鎳基高溫合金等難加工材料的一體化加工制備方面展現(xiàn)出高精度、高效率等顯著優(yōu)勢(shì)。