激光增材制造高溫合金高溫疲勞性能厚度效應(yīng)研究

來(lái)源：材料科學(xué)與工程

近年來(lái)，為實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵構(gòu)件的輕量化和結(jié)構(gòu)-功能一體化，增材制造（Additive manufacturing，AM）技術(shù)已逐漸應(yīng)用于制造具有薄壁、格柵、桁架、流道等復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的構(gòu)件。然而，厚度為幾百微米到幾毫米薄壁構(gòu)件往往表現(xiàn)出力學(xué)性能隨幾何尺度的減小而顯著變化的厚度效應(yīng)（即薄壁效應(yīng)），導(dǎo)致增材制造薄壁構(gòu)件的服役可靠性評(píng)價(jià)無(wú)法完全遵循傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。如何定量描述薄壁構(gòu)件疲勞性能的厚度效應(yīng)，闡明其疲勞性能穩(wěn)定性的構(gòu)件尺寸邊界條件，建立減輕薄壁構(gòu)件疲勞性能厚度效應(yīng)的有效策略，已成為AM技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

近期，東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院張濱教授團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院金屬研究所、太行實(shí)驗(yàn)室合作，以激光粉末床熔融（Laser powder bed fusion，LPBF）成形Inconel718合金為研究對(duì)象，考察了薄壁試樣厚度（0.25 mm~2.0 mm）和均勻化溫度（1065℃和1100℃）對(duì)LPBF成形合金650℃下疲勞性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，具有相同微觀組織尺度薄壁試樣的疲勞壽命隨著試樣厚度與晶粒尺寸之比（t/d）的減小而縮短；1100℃均勻化處理的薄壁試樣疲勞壽命高于1065℃處理的試樣。基于連續(xù)損傷力學(xué)及位錯(cuò)理論，建立了描述試樣厚度與組織尺度對(duì)薄壁構(gòu)件疲勞壽命耦合影響的理論模型，并據(jù)此獲得了LPBF成形Inconel 718薄壁構(gòu)件650℃疲勞壽命穩(wěn)定性的t/d邊界條件；同時(shí)，提出了通過(guò)調(diào)控?zé)崽幚砉に囉行�減輕LPBF成形薄壁構(gòu)件高溫疲勞性能對(duì)構(gòu)件尺寸敏感性的策略。

圖1 激光增材制造Inconel718薄壁構(gòu)件高溫疲勞性能穩(wěn)定性的尺寸邊界條件及調(diào)控策略

相關(guān)研究以“Tailoring thickness debit for high-temperature fatigue resistance of Inconel 718 superalloy fabricated by laser powder bed fusion”為題，在International Journal of Plasticity 182 (2024) 104137上進(jìn)行了詳細(xì)報(bào)道。論文第一作者為東北大學(xué)博士研究生馬濤，通訊作者為東北大學(xué)張濱教授、太行實(shí)驗(yàn)室雷力明研究員和中國(guó)科學(xué)院金屬研究所張廣平研究員。

本工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和中國(guó)博士后科學(xué)基金博士后資助項(xiàng)目的資助。