華科魏青松團隊：鎳基高溫合金高能束流增材制造過程中裂紋類型、機理及抑制方法綜述

來源：機械工程學報

研究現(xiàn)狀
鎳基高溫合金是航空航天領(lǐng)域不可缺少的基礎(chǔ)性材料，但難變形、難切削、易偏析、工藝流程長、成材率低等缺點一直是鎳基高溫合金零部件制造所面臨的難題，渦輪葉片、發(fā)動機燃油噴嘴等結(jié)構(gòu)復(fù)雜零部件的生產(chǎn)問題一直面臨上述問題。高能束增材制造技術(shù)（high-energy beam additive manufacturing, HEB-AM）直接制造復(fù)雜零部件，成形精度高、周期短、材料利用率高、減少機加工，極大程度上解決了傳統(tǒng)加工技術(shù)面臨的問題。HEB-AM技術(shù)已廣泛應(yīng)用于常見金屬材料的制造生產(chǎn)過程中，例如模具鋼，鈦合金和鋁合金等。目前，在HEB-AM成形鎳基高溫合金方面，國內(nèi)外已有部分研究，沉淀強化型（Inconel718、Inconel738和Rene88DT等），固溶強化型（Inconel625、Hastelloy X）等鎳基高溫合金均有研究。

微裂紋缺陷是HEB-AM成形鎳基高溫合金中常見的缺陷，嚴重制約著成形零部件的力學性能，是必須予以解決的問題。由于HEB-AM過程始終伴隨著較高的熱應(yīng)力，合金化程度高的鎳基高溫合金易產(chǎn)生顯微偏析。受制于成形過程晶粒外延生長特性，在熱影響區(qū)容易萌生裂紋，并沿著晶界擴展。針對鎳基高溫合金在HEB-AM過程中的微裂紋形成原因，國內(nèi)外也做了一些研究?？偟膩碚f鎳基高溫合金在SLM成形過程中微裂紋的萌發(fā)和擴展歸因于材料本身的冶金性能和過大的熱應(yīng)力。

圖1 應(yīng)用高能束增材制造技術(shù)打印鎳基高溫合金的主要裂紋類型為凝固裂紋、液化裂紋、應(yīng)變裂紋、延性-浸漬裂紋和冷裂

圖2 高能束增材制造技術(shù)加工鎳基高溫合金的裂紋抑制方法

研究難點或瓶頸
鎳基高溫合金在600℃以上仍保持較高的強度、良好的抗熱腐蝕性、抗熱氧化性及良好的組織穩(wěn)定性，是航天航空發(fā)動機熱端零部件中不可取代的材料。然而，傳統(tǒng)方法難以制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鎳基高溫合金，HEB-AM是解決鎳基高溫合金難制造問題的核心技術(shù)。然而，HEB-AM成形鎳基高溫合金尚處于起步階段，且大多數(shù)研究致力于工藝參數(shù)優(yōu)化及熱處理對組織影響，HEB-AM成形鎳基高溫合金的高溫性能差和微裂紋缺陷還沒有完全解決，鎳基高溫合金成分優(yōu)化對成形質(zhì)量的方面的研究更是缺乏。

圖3 裂紋產(chǎn)生的原因及抑制裂紋的機理和方法總結(jié)

展望（發(fā)展趨勢）
(1) 過大熱應(yīng)力是SLM成形鎳基高溫合金中微裂紋缺陷形成的驅(qū)動力。目前缺少對SLM成形鎳基高溫合金成形過程中的熱應(yīng)力相關(guān)研究，有必要借助模擬仿真手段研究SLM成形過程中的溫度場和應(yīng)力場，為降低成形過程中的熱應(yīng)力提供指導(dǎo)。同時采用在線工藝優(yōu)化以及同步高溫預(yù)熱技術(shù)，來降低成形過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，減少裂紋產(chǎn)生的趨勢。

(2) 用于HEB-AM工藝的無裂紋鎳基高溫合金的合金設(shè)計。當前HEB-AM成形用鎳基高溫合金粉末為成熟的傳統(tǒng)牌號，這些成熟牌號的合金成分是基于鑄造、鍛造工藝特點予以設(shè)計的，并未充分考慮HEB-AM快熔速冷的技術(shù)特點，開發(fā)出適合HEB-AM技術(shù)特點的專用合金，是HEB-AM成形高質(zhì)量鎳基高溫合金必須予以高度重視的研究方向

(3) 隨著HEB-AM技術(shù)的深入發(fā)展，大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的整體制造被提上日程，這將需要多激光協(xié)同作業(yè)。目前缺乏多激光成形鎳基高溫合金的相應(yīng)研究，下一步有必要加大對多激光大臺面成形鎳基高溫合金工藝及設(shè)備方面的研究，為整體制造大尺寸復(fù)雜零部件提供技術(shù)支持。

團隊帶頭人介紹

魏青松，男，1975年生。華中科技大學“華中學者”特聘教授，材料科學與工程學院博士生導(dǎo)師，材料加工與計算機應(yīng)用系副主任，材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室PI教授，學校學術(shù)前沿青年團隊負責人。擔任中國機械工程學會增材制造分會副總干事、中國機械工程學會特種加工分會理事、中國模具協(xié)會裝備委員會副主任。主要從事增材制造（3D打印）研究與教學工作，近年來主持了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、國家科技支撐計劃、國際合作等科研任務(wù)20余項。研究高性能構(gòu)件材料制備與成形一體化3D打印技術(shù)，打印的發(fā)動機機匣鑄型、隨形水道金屬模具及個性化醫(yī)學植入體獲得應(yīng)用，研制的金屬激光3D打印機和陣列式噴印打印機獲產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。在《ACTA Materialia》、《中國科學》等國內(nèi)外權(quán)威期刊上發(fā)表論文150余篇，SCI收錄60余篇，他引5000余次（ESI高被引7篇次）。授權(quán)發(fā)明專利近30項，主編專著（教材）3部、參編1部。獲全國百篇優(yōu)秀博士論文提名，入選武漢市黃鶴英才計劃、武漢市青年科技晨光計劃、江蘇省科技創(chuàng)新（雙創(chuàng)）人才計劃，是教育部創(chuàng)新團隊學術(shù)骨干。曾擔任全國增材制造青年科學家論壇主席，受邀國內(nèi)外會議報告10余次。獲得2011年中國十大科技進展、2項省部級一等獎、3項省部級二等獎，獲“華中科技大學師德三育人獎”稱號。

作者介紹

謝寅（本文第二作者），男，1998年生，華中科技大學材料科學與工程學院碩士研究生，主要研究方向為L-PBF成形鎳基高溫合金工藝及應(yīng)用的研究。