近期，南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系講席教授朱強(qiáng)研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)高機(jī)能金屬材料的激光增材制造過(guò)程中熱裂難題進(jìn)行了系統(tǒng)研究并取得一系列研究進(jìn)展，相繼在Additive Manufacturing, Composite Part B: Engineering, Nano Materials Science等國(guó)際期刊上發(fā)表5篇論文。

作為一種先進(jìn)的成形工藝，增材制造（又稱(chēng)3D打?。┘夹g(shù)由于其在加工具有獨(dú)特、復(fù)雜幾何形貌產(chǎn)品方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在航空航天、武器裝備、汽車(chē)工業(yè)和電子等高端領(lǐng)域。而目前大部分金屬材料由于打印過(guò)程中復(fù)雜的熔化和凝固動(dòng)力學(xué)通常會(huì)導(dǎo)致有害的微觀組織，如周期性裂紋與粗大柱狀晶等，都無(wú)法直接用于激光增材制造。因此，開(kāi)發(fā)出打印性良好、無(wú)裂紋且力學(xué)性能優(yōu)異的金屬材料是進(jìn)一步推動(dòng)增材制造應(yīng)用的關(guān)鍵。

2xxx系高強(qiáng)鋁合金是汽車(chē)工業(yè)與航天航空領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的鋁合金之一，但其凝固區(qū)間廣，熱裂傾向嚴(yán)重，因此成形難度較大。如何以低成本的方法在2xxx系鋁合金粉末床激光熔融技術(shù)中實(shí)現(xiàn)裂紋的消除與性能的提高，對(duì)開(kāi)發(fā)復(fù)雜輕量化產(chǎn)品具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。研究團(tuán)隊(duì)提出了一種添加低成本納米氧化鈦顆粒改性原始粉末的方法，以提高2219鋁合金在增材制造過(guò)程中的成形性。在本設(shè)計(jì)中，通過(guò)氧化鈦的鋁熱還原反應(yīng)將在鋁合金中具有高形狀限制因子的鈦原子彌散分布在鋁基體中，從而顯著地細(xì)化了晶粒并消除了裂紋。結(jié)果表明，改性后的2219鋁合金的致密度高達(dá)99.97%，并呈現(xiàn)出晶粒尺寸雙峰分布的微觀組織。在力學(xué)性能上，添加納米氧化鈦顆粒后的2219鋁合金在25~315℃范圍內(nèi)與2219鍛造鋁合金的拉伸強(qiáng)度相當(dāng)，并明顯高于通過(guò)其他增材制造方式成形的2219鋁合金。該研究成果以“Laser powder bed fusion of nano-titania modified 2219 aluminium alloy with superior mechanical properties at both room and elevated temperatures: The significant impact of solute”為題發(fā)表在Additive Manufacturing上。

圖1增材制造2219鋁合金致密度、微觀組織與性能的優(yōu)化

7xxx系高強(qiáng)鋁合金是鋁合金中強(qiáng)度最高的一個(gè)系列，是國(guó)際上公認(rèn)的航空主干材料，但也存在著熱裂紋難以消除的難題，被認(rèn)為是典型的不可焊接材料。研究團(tuán)隊(duì)提出了一種高效、便捷、可控性好的復(fù)合細(xì)化策略，實(shí)現(xiàn)了晶粒細(xì)小均勻、無(wú)明顯裂紋、致密度高、力學(xué)性能優(yōu)異的7050高強(qiáng)鋁合金成形。在本設(shè)計(jì)中，不僅可以充分發(fā)揮納米陶瓷TiN和合金元素Ti各自改善合金成形性、細(xì)化α(Al)的作用來(lái)細(xì)化晶粒、解決熱裂問(wèn)題，還能利用二者之間的協(xié)同效應(yīng)進(jìn)一步細(xì)化、強(qiáng)化合金，以顯著地提高合金力學(xué)性能。采用復(fù)合細(xì)化劑的7050鋁合金能獲得平均尺寸為納米級(jí)的超細(xì)晶粒，直接時(shí)效熱處理后其極限抗拉強(qiáng)度可達(dá)408～618MPa，斷后延伸率（EI）可達(dá)13.2～8.8%，高于絕大部分增材制造鋁合金。該復(fù)合細(xì)化的理念為高強(qiáng)鋁合金激光3D打印中的工業(yè)化應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和技術(shù)借鑒，并有望推廣到其他可能的合金或加工領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。該研究成果以“Novel approach to additively manufacture high-strength Al alloys by laser powder bed fusion through addition of hybrid grain refiners”為題發(fā)表在Additive Manufacturing上。

圖2復(fù)合細(xì)化策略對(duì)增材制造7050高強(qiáng)鋁合金晶粒細(xì)化作用與性能的優(yōu)化

高溫合金是指能在600°C以上的高溫及一定應(yīng)力作用下長(zhǎng)期工作的一類(lèi)金屬材料，已廣泛應(yīng)用在以航空發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的高端領(lǐng)域，被譽(yù)為“現(xiàn)代工業(yè)皇冠上的明珠”。與高強(qiáng)鋁合金類(lèi)似，高性能高溫合金通常也面臨著熱裂敏感性高、成形難度大等困難。鎳基高溫合金Inconel738LC（IN738LC）是一種γ?沉淀強(qiáng)化合金，在800°C以上的溫度仍有較為優(yōu)異的力學(xué)性能、抗氧化性能以及熱穩(wěn)定性。由于其復(fù)雜的化學(xué)元素組成以及激光增材制造本身的復(fù)雜冶金過(guò)程，被認(rèn)為是一種難焊接高溫合金。研究團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)了一種“納米粗化劑”，在與商業(yè)IN738LC顆?；旌虾筮M(jìn)行選取激光熔化成形。使得打印材料裂紋被消除的同時(shí)，晶粒沒(méi)有產(chǎn)生細(xì)化作用（與鋁合金相反，對(duì)于高溫下使用的合金，細(xì)化的組織往往不利）。其原理在于加入納米級(jí)的氧化釔顆粒，在打印過(guò)程中原位與合金中的Al元素發(fā)生反應(yīng)，生成細(xì)小的納米級(jí)YAM（Y4Al2O9），該粒子的Y點(diǎn)位可與合金中的Zr原子發(fā)生替換，消除了Zr元素在晶界處的偏析，從而達(dá)到了消除裂紋的目的；另外，YAM粒子是一種優(yōu)異的隔熱粒子，可以有效的降低熔體的凝固速率，使得晶粒發(fā)生的粗化的作用。加入納米級(jí)的氧化釔顆粒的IN738LC復(fù)合材料在850°C的屈服強(qiáng)度由615 ± 8 MPa提升到了633 ± 9 MPa，抗拉強(qiáng)度由714 ± 11 MPa提升到了773 ± 5 MPa。該研究成果以“Y2O3 nanoparticles decorated IN738LC superalloy manufactured by laser powder bed fusion: Cracking inhibition, microstructures and mechanical properties”為題發(fā)表在Composites Part B上。

圖3 納米氧化釔顆粒添加復(fù)合材料的凝固過(guò)程示意圖和組織對(duì)比

對(duì)于IN738LC的裂紋消除工作，研究團(tuán)隊(duì)還試圖通過(guò)改變打印工藝的途徑加以實(shí)現(xiàn)。脈沖機(jī)關(guān)由于特殊的激光工作特性，廣泛應(yīng)用于焊接技術(shù)中，往往能產(chǎn)生特殊的組織。團(tuán)隊(duì)利用脈沖激光實(shí)現(xiàn)了IN738LC合金的打印，同時(shí)消除了打印組織中的裂紋。通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，相較于連續(xù)激光，脈沖激光可以增加打印過(guò)程中熔體的冷卻速率，從而達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。在細(xì)化的組織中，一些高裂紋敏感性的大角度晶界被轉(zhuǎn)變成了小角度晶界；另外由于細(xì)化組織晶界數(shù)量增加，使得單位長(zhǎng)度晶界的元素偏析下降，進(jìn)一步控制了開(kāi)裂，從而提高了力學(xué)性能。該研究成果以“A comparing study of defect generation in IN738LC superalloy fabricated by laser powder bed fusion: Continuous-wave mode versus pulsed-wave mode”為題發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology上。

圖4連續(xù)激光和脈沖激光的組織對(duì)比圖以及凝固溫度模擬結(jié)果

由于增材制造技術(shù)涉及流體、冶金等繁多的理化過(guò)程，加之鎳基高溫合金組分比較復(fù)雜，打印產(chǎn)品中的開(kāi)裂現(xiàn)象是一個(gè)非常普遍存在的現(xiàn)象，因此明確開(kāi)裂機(jī)理并采用適合的手段消除裂紋十分重要。基于團(tuán)隊(duì)之前對(duì)增材制造過(guò)程中高性能合金裂紋缺陷的大量研究，團(tuán)隊(duì)還回顧了相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)了鎳基高溫合金在增材制造形成過(guò)程中的開(kāi)裂行為以及裂紋的解決方法。增材制造鎳基高溫合金的裂紋可主要分為三種：凝固裂紋，液化裂紋與失塑裂紋。針對(duì)不同的開(kāi)裂機(jī)理，團(tuán)隊(duì)總結(jié)出兩大類(lèi)主要的裂紋消除方法：一是改變成形工藝從而達(dá)到控制材料凝固和溫度梯度的目的，如參數(shù)化設(shè)計(jì)、脈沖激光、基板預(yù)熱等；二是改變合金成分控制元素偏析或者改變凝固組織的最終結(jié)構(gòu)，如合金設(shè)計(jì)、采用金屬基復(fù)合材料、材料微合金化等。此外，為促進(jìn)增材制造鎳基高溫合金的未來(lái)發(fā)展和商業(yè)化應(yīng)用，還闡明了未來(lái)值得探索的領(lǐng)域：探索具有不同復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鎳基高溫合金零部件的工藝-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系；定制和開(kāi)發(fā)新針對(duì)于增材制造的無(wú)裂紋鎳基高溫合金；制定增材制造鎳基高溫合金的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。該研究成果以“Additive manufacturing of Ni-based superalloys: Residual stress, mechanisms of crack formation and strategies for crack inhibition”為題發(fā)表在Nano Materials Science上。

圖5增材制造鎳基高溫合金的開(kāi)裂機(jī)理以及消除方法

朱強(qiáng)為以上系列研究工作論文通訊作者，其中第二、三、四篇論文，南科大為論文第一單位。第一作者分別為南方科技大學(xué)-香港城市大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生李干、博士后黃禹赫（現(xiàn)為北京科技大學(xué)講師），博士后李欣蔚（現(xiàn)為深圳大學(xué)副研究員）、博士生郭川（現(xiàn)為香港城市大學(xué)深圳研究院副研究員）。論文的主要合作者還包括香港城市大學(xué)呂堅(jiān)院士，昆士蘭大學(xué)張明星教授，伯明翰大學(xué)高級(jí)講師R. Mark Ward等。以上研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、深圳市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與深圳市孔雀團(tuán)隊(duì)等基金的資助以及南方科技大學(xué)分析測(cè)試中心的大力支持。

論文鏈接：

1.https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103296

2.https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102400

3.https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.109555

4.https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.03.006

5.https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2022.08.001

注：本文內(nèi)容來(lái)自南方科技大學(xué)新聞網(wǎng)。