南科大朱強(qiáng)團(tuán)隊(duì)《MSER》在增材制造高溫合金蠕變行為研究方面取得重要進(jìn)展

來源：南科大機(jī)械與能源工程系

導(dǎo)讀：南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系講席教授朱強(qiáng)團(tuán)隊(duì)與中山大學(xué)副教授胡小剛合作在激光增材制造高裂紋敏感性高溫合金蠕變機(jī)理及性能預(yù)測(cè)方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以“Creep behaviour investigation of additively manufactured IN738LC superalloy based on Materials Genome approach”為題在國(guó)際期刊Materials  Science and Engineering: R上發(fā)表研究類論文。

激光增材制造釋放了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)約束和跨尺度組織構(gòu)筑性，為突破當(dāng)前高溫結(jié)構(gòu)材料的制造極限提供了創(chuàng)新方案，有望滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等重大裝備對(duì)極端高溫性能的迫切需求。蠕變性能作為衡量高溫環(huán)境下構(gòu)件服役性能與可靠度的關(guān)鍵指標(biāo)，其重要性不言而喻。因此，加速構(gòu)建激光增材制造合金蠕變性能數(shù)據(jù)庫(kù)，并發(fā)展先進(jìn)的蠕變行為預(yù)測(cè)技術(shù)，對(duì)于推動(dòng)增材制造技術(shù)在裝備制造領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

然而，激光增材制造高溫合金目前仍面臨諸多挑戰(zhàn)：一是高性能高溫合金裂紋敏感性高，打印過程中普遍存在開裂問題；二是激光增材高溫合金蠕變性能顯著低于傳統(tǒng)鑄造合金，限制高溫高應(yīng)力服役條件下的產(chǎn)品替代潛力；三是傳統(tǒng)的蠕變測(cè)試方法因效率低下、成本高昂，難以滿足快速建立材料成分、制造工藝與蠕變性能之間關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的迫切需求；四是現(xiàn)有的蠕變性能預(yù)測(cè)技術(shù)大多聚焦于斷裂壽命的預(yù)測(cè)，而缺乏對(duì)材料在不同服役階段形變與損傷動(dòng)態(tài)演化過程的準(zhǔn)確描述。

針對(duì)這一難題，朱強(qiáng)團(tuán)隊(duì)與胡小剛開展合作研究。團(tuán)隊(duì)以高裂紋敏感性高溫合金IN738LC為驗(yàn)證材料，提出液相誘導(dǎo)愈合后處理方案修復(fù)激光增材制造過程中產(chǎn)生的微裂紋，提升材料致密度（圖1）；在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)研發(fā)了高通量蠕變測(cè)試技術(shù)，在保證壓縮蠕變溫度及載荷一致性的同時(shí)將數(shù)據(jù)的獲取效率提升8倍（圖2），結(jié)果表明經(jīng)過LIH處理后合金的最小壓縮蠕變速率與諸多代表性高蠕變性能工程合金（鑄態(tài)）相當(dāng)或更優(yōu)（圖3）；更進(jìn)一步地，團(tuán)隊(duì)基于優(yōu)化算法構(gòu)建了最小蠕變速率與溫度和壓力之間的映射關(guān)系；最后融合深度學(xué)習(xí)技術(shù)，構(gòu)建了能夠精準(zhǔn)預(yù)測(cè)IN738LC合金在任意溫度與應(yīng)力條件下蠕變行為的預(yù)測(cè)模型，為材料的服役性能評(píng)估與優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的工具（圖4）。

圖1. 采用液相誘導(dǎo)愈合技術(shù)（LIH）修復(fù)激光增材制造裂紋

圖2. (a)高通量壓縮蠕變測(cè)試系統(tǒng)CC801；(b) IN738LC不同溫度與應(yīng)力條件下壓縮蠕變曲線

圖3. LPBF-IN738LC合金（LIH處理態(tài)）與常用高性能高溫合金（鑄態(tài)）最小壓縮蠕變速率對(duì)比

圖4. 采用深度學(xué)習(xí)模型對(duì)LPBF-IN738LC蠕變行為預(yù)測(cè)

此研究不僅運(yùn)用激光增材制造制備出蠕變性能卓越的高裂紋敏感性高溫合金，并深入剖析其微觀機(jī)制，更為關(guān)鍵的是，它基于“材料基因組計(jì)劃”理念，將高通量蠕變測(cè)試技術(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)相融合，為建立精準(zhǔn)的蠕變行為預(yù)測(cè)模型提供了新路徑，對(duì)于推動(dòng)高溫結(jié)構(gòu)材料的快速研發(fā)與廣泛應(yīng)用具有重要意義。

南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系博士后徐振為文章第一作者，朱強(qiáng)為通訊作者，胡小剛為共同通訊作者。朱強(qiáng)團(tuán)隊(duì)成員呂志威博士、王致遠(yuǎn)、李卓宇、史志芳、陳振南，以及中山大學(xué)副教授郭川等也為研究做出重要貢獻(xiàn)。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)博士后科學(xué)基金會(huì)、深圳市科技創(chuàng)新局以及南科大分析測(cè)試中心等部門的大力支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mser.2024.100914