鎳基高溫合金因其優(yōu)異的高溫力學性能和結構穩(wěn)定性被廣泛地應用于航空航天領域。GH3536是一種固溶強化型的鎳基高溫合金，能夠在900℃以下長期使用，因此被廣泛用于制備航空發(fā)動機的熱端部件。為了響應航空工業(yè)輕質高強的嚴苛要求，通過激光增材制造技術來制備GH3536鎳基高溫合金成為了研究熱點。

中南大學李瑞迪教授研究團隊研究探討了激光掃描策略對GH3536鎳基高溫合金顯微組織和力學性能的影響，并且對零件成型后的位移變形和應力水平進行了工藝仿真，為增材制造航空高性能零件提供了技術指導。

相關論文以Laser powder bed fusion of GH3536 superalloy: Microstructure,mechanical properties and hydrocyclone manufacturing 為題，發(fā)表在Advanced Powder Materials 期刊。本期谷.專欄將分享該文的創(chuàng)新點與啟示。

摘要

為了發(fā)揮增材制造在航空航天領域中的顯著優(yōu)勢，制造出高性能航空零件，本工作研究了掃描策略對GH3536鎳基高溫合金的顯微組織和力學性能的影響。結果顯示，在四種掃描策略（0°、67°、90°和Z67°）中，Z67°（67°旋轉角分區(qū)掃描策略）試樣的強度最高，其屈服強度和抗拉強度分別為681MPa和837MPa。隨著拉伸過程的不斷進行，試樣的塑性變形機制從滑移主導逐漸轉變?yōu)閷\生。在試樣變形量達到80%的區(qū)域，觀察到大量孿晶。使用增材制造仿真套件Ansys Additive模擬了零件在增材制造過程中的應力水平和位移變形，位移變形結果與實驗現(xiàn)象一致。根據(jù)仿真結果，對零件進行了結構優(yōu)化設計，提高了零件的成型質量。結果表明，當懸垂角為45°時，零件所需的支撐結構更加合理。最后，通過增材制造成功制備結構復雜的了高性能旋流器。

創(chuàng)新點

（1）直接打印態(tài)的Z67°試樣拉伸強度高達837MPa，屈服強度也達到681MPa，伸長率為29%，材料性能完全滿足旋流器使用標準。

圖1.（a）室溫拉伸工程應力-應變曲線；（b）不同掃描策略下成型試樣的力學性能柱狀圖；（c）Z67°試樣的局部變形量；（d-g）局部變形量分別為80%、40%、20%和5%的SEM圖像

（2）觀察到激光增材制造的GH3536鎳基高溫合金在拉伸試驗后不同變形量對應的顯微組織演化。

采用視頻引伸計對材料拉伸過程進行了實時跟蹤，根據(jù)試樣應變云圖選取了局部變形量為5%、20%、40%和80%的區(qū)域進行EBSD表征，結果當局部變形量達到40%時，孿晶開始形核并不斷長大；當局部變形量達到80%時，晶粒內(nèi)部出現(xiàn)了較多孿晶。結合KAM分析，隨著變形量的增加，殘余應力不斷累積，當達到孿晶形核所需的切應力時，孿晶的生成消耗了晶粒內(nèi)部的殘余應力。

圖2. Z67試樣不同變形的EBSD分析：(a1-d1)80%、40%、20%和5%不同變形對應的IPF（藍色線條為<111>60°Σ3孿晶界）；(a2-d2)(0 0 1)、(1 0 1)和(1 1 1)的PF；(a3-d3)對應的KAM；(a4-d4)KAM分布及平均值

（3）ANSYS Additive被用于工藝仿真，模擬了零件成型后的應力水平和位移變形，并根據(jù)仿真結果進行了零件的結構優(yōu)化。

研究了擺放角度與支撐對旋流器成形的影響，結果表明當擺放角度為45°時，能充分利用45°懸垂角使得內(nèi)流道無需支撐直接成形，與0°擺放角度相比，保證了內(nèi)流道的功能性。

圖3. 位移變形：(a1)0°無支撐；(a2)0°有支撐；(a3)45°無支撐；(a4)45°有支撐

應力分布：(b1)0°無支撐；(b2)0°有支撐；(b3)45°無支撐；(b4)45°有支撐

啟示

（1）通過改變掃描工藝策略探究其對成形態(tài)試樣性能和組織的影響，明確試樣力學性能和顯微組織隨掃描策略改變的變化規(guī)律，確定最佳工藝策略，最后成形高致密度、少缺陷的高性能零件。

（2）從高性能試樣出發(fā)，在拉伸試驗的基礎上，通過總結晶體在不斷被拉伸的過程中顯微組織的變化規(guī)律，探究 GH3536 鎳基高溫合金材料的變形機制。

（3）利用有限元求解分析零件在成形過程中的應力水平和變形位移情況，探究零件擺放角度與支撐對零件成形性能的影響，根據(jù)求解結果對模型和支撐進行結構優(yōu)化設計，降低零件在成形過程中產(chǎn)生的缺陷以及提高零件打印成功率，為復雜零件的增材制造過程奠定基礎。

論文引用信息：

Chengzhe Yu, Nan Chen, Ruidi Li, Tiechui Yuan, Shisen Huang, Xin Ma, Yi Zhang, Min Huang, Liang Lv, Ruoyu Liu, Yuanyuan Jiang, Xingyan Liu, Duan Lai. Laser powder bed fusion of GH3536 superalloy: Microstructure, mechanical properties and hydrocyclone manufacturing. Adv. Powder Mater. 2（2023）100134. https://doi.org/10.1016/j.apmate.2023.100134

研究團隊

李瑞迪，中南大學教授、博導。

主持國家自然科學基金聯(lián)合重點項目、面上項目、青年基金，中船重工、中車工業(yè)等科研項目。在Acta Materialia, scripta Materialia, metall Mater Trans A, Mater Sci Eng A, Adv Funct Mater等期刊發(fā)表SCI論文70余篇，其中ESI高被引5篇、ESI熱點論文1篇，獲授權發(fā)明專利20件。兼任中國有色金屬學會增材制造專委會副主任委員，中國機械工程學會增材制造技術分會委員、中國光學學會激光加工專業(yè)委員會委員、中國機械工程學會極端制造分會委員、全國鋼標標準化委員會增材制造工作組委員。兼任《Advanced Powder Materials》編委、《粉末冶金材料科學與工程》編委、《粉末冶金工業(yè)》編委、《軌道交通材料》編委、《鑄造技術》青年編委。擔任《Journal of Central South University》“粉末冶金與增材制造”?？妥骶?、《中南大學學報（自然科學版）》“粉末冶金”專刊客座編輯。入選教育部高層次人才青年項目，湖南省科技創(chuàng)新領軍人才，湖南省杰青，中國有色金屬青年科技獎。第一完成人獲湖南省政府自然科學二等獎及中國有色金屬工業(yè)科學技術一等獎（發(fā)明）。團隊研究方向：增材制造粉體材料研發(fā)及在結構件成形中應用。

袁鐵錘，中南大學粉末冶金研究院，工學博士，二級教授，博士生導師。

2014年4月起擔任中南大學粉末冶金研究院副院長。長期從事粉末冶金新材料、有色金屬冶金研發(fā)工作。先后主持國家科技支撐計劃、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金面上項目、863項目、省科技計劃及橫向合作項目30多項，第一發(fā)明人獲授權發(fā)明專利10多項，在國內(nèi)外學術期刊上發(fā)表論文60多篇，其中SCI、EI檢索論文近50多篇，獲中國有色金屬工業(yè)科學技術一等獎3項，湖南省自然科學二等獎1項。