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3D打印单晶高温合金重要进展

日期:2020-07-20 18:16

镍基高温合金单晶涡轮叶片的修正是一个长期存在的难题。电子束增材制作有望完成这一方针,但有一个强壮的妨碍:剩余应力和γ/γ’微观结构在单一晶体交融区经过电子束消融后是不行承受的;或许,经过固溶热处理后,发作再结晶,带来新的晶粒,下降高温蠕变特性。

近来,来自西安交通大学、美国麻省理工学院以及美国约翰霍普金斯大学一项研讨,经过规划一种后3D打印回复准则消除了再结晶的驱动力,即在固溶和时效之前添加回复过程,能够消除再结晶驱动力。相关论文以题为“Rafting‐Enabled Recovery Avoids Recrystallization in 3D‐Printing‐Repaired Single‐Crystal Super alloys”于2月20日宣布在Advanced Materials上。

论文衔接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201907164

现代涡轮叶片主要由高温合金单晶制得,经过在γ相矩阵中使得γ’相得到有序的立方形分出相来强化。单晶镍基高温合金在抗蠕变、疲惫和氧化等许多方面都比多晶合金有很大的优势。尽管如此,这些高价值的单晶叶片在恶劣的环境下仍然会遭到外表危害和开裂。因而,期望找到一种办法来修正受损的要害外表,一起坚持其单结晶性质以及所需的一致γ/γ’微观结构。

近年来呈现的多功能3D打印技能是完成这一方针的有力途径。但3D打印技能还不老练,以下缺陷需求战胜:高温期间不安稳,会呈现其他有害的Laves相颗粒;打印过程中在高热应力下会呈现部分的变形,在热影响区发生高密度的位错;在经过高温固溶处理后,会呈现再结晶,使得微观结构多晶化,然后下降叶片的高温蠕变功能。因而,迫切需求规划一种立异的修正办法,保存3D打印技能自身的长处之外一起战胜以上的缺陷。

为此,研讨者们的战略是规划后3D打印退火,以削减损坏单晶结构的再结晶驱动力。规范固溶热处理之前,一切的γ′消失,在HAZ中堆集的位错能够经过筏化-回复来消除。这样固溶前进行回复热处理的计划,使得立方形的γ’分出相变得不安稳而且衔接在一起,在热影响区构成平面筏化分出相。这大大下降了位错密度,因而在后续的固溶和时效热处理中,依照一般运用的规范计划,RX不会被触发成新晶粒核。

以第一代单晶镍基高温合金AM3为模型,选用无质料电子束熔炼技能对其进行了模仿3D打印修正。电子束熔化后,亚固溶退火的预回复是经过筏化来完成的。定向粗化γ′粒子促进位错重排和消失。在后续的固溶处理中,筏化微观结构将会被去除,留下一个没有危害和剩余应力的单晶,与余下的涡轮叶片一致的γ′分出相毫无区别。

3D打印单晶高温合金重要发展

图1由规范溶液HT诱导的3D打印镍基单晶的微观结构演化,与研讨的新式高温复原退火相比较图。

3D打印单晶高温合金重要发展

图2 EBM样本在不同的热处理工艺前后

3D打印单晶高温合金重要发展

图3在EBM样本中的不均匀散布的γ′形状、弹性应变和紊乱状况

3D打印单晶高温合金重要发展

图4先回复退火的新计划热处理后,样本均匀散布的γ′形状、弹性应变、紊乱状况

3D打印单晶高温合金重要发展

图5 1100°C回复退火后γ′形状学、弹性应变和紊乱状况

这一发现为避免3D打印单晶因为剩余应力未消除而开裂供给了一种有用的办法,为增材制作修正、康复和重塑其他高温合金单晶产品铺平了路途;突破了经典观念所以为的“单晶高温合金不具备回复才能”的认知,为规划3D打印高温合金的非规范热处理准则供给了科学依据,并标明新的热处理准则完全能满意3D打印单晶叶片修正的需求。