西安交大科研人员在3D打印单晶高温合金领域取得突破

作者：Aaron   2020-02-23    16:05   

利用同步辐射微衍射、透射电镜等先进表征技术，西安交大材料学院单智伟研究团队从微观结构演化的规律入手，为3D打印单晶高温合金定制了热处理制度，解决了单晶叶片3D打印修复后的再结晶问题，并提出了高温合金塑性变形回复的新机制。

航空发动机的叶片由成本昂贵的单晶镍基高温合金制成。由于服役环境苛刻，单晶叶片容易受到局部损伤，发展可靠的叶片修复技术对航空发动机延寿、降成本至关重要。3D打印凭借其“精准定位、可控增材”的特点在单晶叶片的修复/再制造领域展现出诱人的应用前景。但由于3D打印冷却速度快，容易造成高残余应力、高位错密度的亚稳态微观组织结构。这种亚稳态结构在标准热处理或服役过程中容易发生再结晶，导致材料高温力学性能下降，造成安全隐患。因此急需针对3D打印单晶高温合金目前存在的问题，研发一种新的工艺，使之满足：无再结晶，应力小、位错密度低，且g¢沉淀强化相的形貌、密度与基体高温合金一致。

高温合金的标准热处理制度一般由固溶、时效组成，实践证明该工艺流程会导致3D打印高温合金发生再结晶。经过系统的文献调研与综合分析，作者们提出并证实在固溶前增加“回复”（Recovery）步骤，可以消除再结晶驱动力。经过“回复-固溶-时效”处理，先是高温合金的残余应力伴随微观组织γ′相的定向粗化而消除，且位错密度可降低至热处理前的5%左右，时效后沉淀强化γ′相达到与铸态基材相同水平。因所发现的现象与高温合金在高温蠕变条件下发生的筏化效应（Rafting）相似，且在事实上起到了回复的效果，故将其命名为“筏化-回复”效应（Rafting-enabled recovery）。此发现突破了经典观念所认为的“单晶高温合金不具备回复能力”的认知，为设计3D打印高温合金的非标准热处理制度提供了科学依据，并表明新的热处理制度完全能满足3D打印单晶叶片修复的需求。

该研究以《利用“筏化-回复”效应抑制3D打印修复单晶高温合金的再结晶》（“Rafting-Enabled Recovery Avoids Recrystallization in 3D-Printing Repaired Single-Crystal Superalloys”）为题在材料学科权威期刊Advanced Materials上发表(doi: 10.1002/adma.201907164)。西安交通大学材料学院陈凯教授为论文的第一和通讯作者，西安交大单智伟教授，美国麻省理工学院李巨教授，约翰霍普金斯大学马恩教授为论文的共同通讯作者。西安交大材料学院研究生黄润秋、林思聪、朱文欣，长安大学李尧博士，美国劳伦斯伯克利国家实验室Nobumichi Tamura博士等参与研究。研究工作得到国家自然科学基金与国家重点研发计划的支持。

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