2024年10月6日,南極熊獲悉,美國能源部宣稱他們的研究人員已成功利用中子成像技術(shù)研究通過激光 3D 打印制造的新型高溫合金的應(yīng)力效應(yīng)。這些先進(jìn)材料由高強(qiáng)度、高耐熱的金屬組成,對(duì)于發(fā)電中使用的先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)等極端應(yīng)用至關(guān)重要。
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這項(xiàng)研究以題為“Residual stress and microstructurein IN718-René41 graded superalloy fabricated by laser blown directed energydeposition/激光吹制定向能量沉積制備的 IN718-René41 梯度高溫合金中的殘余應(yīng)力和微觀結(jié)構(gòu)”,發(fā)表在《Frontiers in Metals and Alloys》期刊上。
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在研究項(xiàng)目中,來自通用電氣、愛迪生焊接研究所和橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室 (ORNL)的合作團(tuán)隊(duì)使用激光 3D 打印技術(shù)打印出 Inconel 718 和 René 41 合金,且不會(huì)開裂。該工藝涉及使用激光將金屬粉末逐層熔合成所需形狀,這可能會(huì)引入影響材料性能的內(nèi)部應(yīng)力。
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表1. 打印用粉末組成重量百分比(wt%)。
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表2. 用于IN718/R41 級(jí)樣品的 DED 構(gòu)建參數(shù)(在氬氣環(huán)境中)。
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圖1. 成品和熱處理后的 IN718/R41 級(jí)單道薄壁樣品。激光行進(jìn)方向可通過樣品表面與構(gòu)建板平行的線輪廓看出。
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圖2. (A)中子衍射實(shí)驗(yàn)裝置;(B)安裝在樣品架上的三個(gè)成品樣品 1A、2A 和 3A 以及三個(gè)熱處理半件 1B、2B 和 3B 的近視圖。
為了評(píng)估這些壓力,研究人員在ORNL的散裂中子源 (SNS)和高通量同位素反應(yīng)堆 (HFIR) 進(jìn)行了中子成像實(shí)驗(yàn),這兩個(gè)設(shè)施都是能源部科學(xué)辦公室的用戶設(shè)施。中子非常適合進(jìn)行這種分析,因?yàn)樗鼈兡軌虼┩钢旅艿慕饘俨⑻峁⿲?duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的詳細(xì)洞察。
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圖 3.沿構(gòu)建方向的 10° 晶界圖(不包括孿晶界)。這些圖捕捉了制備好的橫截面中每個(gè)樣品的整個(gè)高度。為了更好地進(jìn)行可視化,這些圖被分為兩個(gè)區(qū)域(下半部分和上半部分)。
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圖4.反極圖和沿構(gòu)建方向的極圖。反極圖地圖捕捉了制備好的橫截面中每個(gè)樣本的整個(gè)高度。為了更好地可視化,地圖被分為兩個(gè)區(qū)域(下半部分和上半部分)。
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圖 5. EBSD 內(nèi)核平均取向誤差(最大 4°)沿構(gòu)建方向的已構(gòu)建樣品圖。為了更好地顯示,將圖分為兩個(gè)區(qū)域(下半部分和上半部分)。隨后將數(shù)據(jù)平均化為薄片(1B 中黃色絲帶所示),如圖 6所示。
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圖 6. 沿構(gòu)建方向(與每張地圖的構(gòu)建板側(cè)的距離)對(duì)已構(gòu)建樣品的平均 KAM 值。對(duì)圖 5中所示的每個(gè)薄片進(jìn)行了平均。
研究發(fā)現(xiàn),高溫合金中的殘余應(yīng)力受制造參數(shù)(如激光停留時(shí)間和能量水平)的影響大于受金屬化學(xué)成分的影響。研究顯示,熱處理可以有效降低這些應(yīng)力,從而提高材料的性能。
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圖 7. EPMA 沿構(gòu)建方向測(cè)量 1B、2B、3B 樣品半成品中 Co、Mo、Nb、Al、Ti 和 Fe 元素的定量成分分布(重量百分比)。垂直虛線標(biāo)記每個(gè)成分區(qū)域的邊界(IN718、80% IN718–20%R41、60% IN718–40% R41、40% IN718–60% R41、20% IN718–80% R41、R41)。
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圖8.( A)初始狀態(tài)的3A和熱處理后的3B的中子透射圖像;(B)使用EPMA定量成分測(cè)量的中子衰減系數(shù)(cm −1 )之間的比較。
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圖 9.沿建造方向和長度方向的殘余應(yīng)力輪廓 1A、2A、3A。樣本圖片中的黃色虛線表示映射區(qū)域。
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圖 10. 應(yīng)力釋放熱處理樣品 1B、2B、3B 沿構(gòu)建方向和長度的殘余應(yīng)力輪廓線。
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圖 11. 計(jì)算的初始樣品和經(jīng)過應(yīng)力消除熱處理后的樣品的無應(yīng)力晶格參數(shù)。
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圖 12。熱處理樣品的 IN718-R41 梯度的無應(yīng)力晶格參數(shù)與從各種基于組成的模型(Caron,2000 年;Wang 等人,2007 年;Kablov 和 Petrushin,2008 年;Lazo 等人,2009 年)和帶有 TCNI 數(shù)據(jù)庫的 Thermo-Calc 預(yù)測(cè)的晶格參數(shù)的比較。
該團(tuán)隊(duì)利用 SNS 的 VULCAN 衍射儀和 HFIR 的 MARS 成像儀測(cè)量了殘余晶格應(yīng)變的分布,以觀察材料在不同加工階段的應(yīng)力和成分如何變化。這些發(fā)現(xiàn)將有助于行業(yè)使用 3D 打印開發(fā)更好的組件,尤其是針對(duì)極端環(huán)境下的應(yīng)用。
這項(xiàng)研究加深了對(duì) 3D 打印高溫合金應(yīng)力效應(yīng)的理解,并建立了一種更有效的評(píng)估金屬應(yīng)力水平的方法。研究結(jié)果對(duì)于降低制造成本和提高在高應(yīng)力和高溫條件下承受的部件的性能具有重要意義。
這項(xiàng)工作得到了美國能源部 (DOE) 能源效率和可再生能源辦公室、先進(jìn)制造辦公室的支持。這項(xiàng)研究的一部分使用了散裂中子源和高通量同位素反應(yīng)堆的資源,這兩個(gè)設(shè)施都是美國能源部科學(xué)辦公室的用戶設(shè)施,由橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室運(yùn)營。
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