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新技術(shù)可高效愈合激光增材制造裂紋
發(fā)布時間:2024.03.08        閱讀次數(shù):

近日,南方科技大學(xué)機械與能源工程系講席教授朱強團隊在《材料學(xué)報》發(fā)表最新研究成果。研究團隊提出了一種液相誘導(dǎo)愈合(Liquid-induced healing, LIH)激光增材制造裂紋的新工藝,通過控制晶界微量重熔以引入晶間液膜回填缺陷,進而實現(xiàn)在微尺度上將構(gòu)件中的裂紋“焊合”。該研究成果對于突破激光增材制造高裂紋敏感性合金這一行業(yè)難題具有重要意義。

激光增材制造是解決個性化、復(fù)雜化金屬構(gòu)件整體成形的革命性技術(shù),具有巨大的應(yīng)用前景。然而,現(xiàn)有的數(shù)百種常用工程合金中僅有十余種可以穩(wěn)定實現(xiàn)無裂紋打印,遠不能滿足替代傳統(tǒng)工藝的需求。

相比于鑄造、焊接等工藝,激光增材制造技術(shù)具有微區(qū)超常冶金和快速凝固的本征屬性而更容易引起開裂。現(xiàn)有應(yīng)對激光增材制造裂紋的處理方式有兩種,一是打印過程中通過調(diào)控合金凝固區(qū)間、晶粒形貌及構(gòu)件溫度梯度等方法抑制裂紋,然而,對于不同合金體系的作用效果存在顯著差異,工藝窗口窄且穩(wěn)定性較差,難以徹底消除裂紋;二是采用熱等靜壓(HIP)后處理閉合裂紋。然而HIP無法修復(fù)表面缺陷,需進一步加工去除表層材料,這無疑弱化了增材制造技術(shù)成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)的核心優(yōu)勢。

此外,極高壓的工作條件使得HIP裝備復(fù)雜且成本極其高昂,因此也僅適用于少部分高附加值的金屬增材制造構(gòu)件。

對此,研究團隊基于引入晶間連續(xù)液膜將裂紋“焊合”的技術(shù)思路,提出了液相誘導(dǎo)愈合(LIH)技術(shù),并以典型高裂紋敏感性合金IN738LC為試驗合金,驗證LIH技術(shù)的可行性與先進性,研究結(jié)果表明,經(jīng)過LIH技術(shù)處理后,合金力學(xué)性能的顯著提升。在拉伸性能方面,LIH態(tài)高于鑄態(tài)和熱等靜壓態(tài),而在高溫蠕變方面,LIH態(tài)合金則表現(xiàn)出了與精密鑄造相當(dāng)且遠高于熱等靜壓態(tài)的性能。

據(jù)介紹,與當(dāng)前最有保障的HIP技術(shù)相比,LIH技術(shù)在缺陷消除效率、普適性、便捷性及成本上均有顯著的優(yōu)勢,一是突破其無法愈合表面缺陷的技術(shù)局限,因此可適用于復(fù)雜構(gòu)件的孔隙愈合處理而無需額外的機加工去除表面;二是LIH所需壓力不到HIP工藝的1/20,消除了高壓特種裝備的安全隱患,簡化了裝備構(gòu)造和成本;三是無需保溫處理,而HIP需在高溫保溫數(shù)小時,因此提高工藝效率和降低能耗成本。