鎳基高溫合金因其優(yōu)異的高溫力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性被廣泛地應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。GH3536是一種固溶強(qiáng)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(jī)的熱端部件。為了響應(yīng)航空工業(yè)輕質(zhì)高強(qiáng)的嚴(yán)苛要求，通過激光增材制造技術(shù)來制備GH3536鎳基高溫合金成為了研究熱點。

中南大學(xué)李瑞迪教授研究團(tuán)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(xué)性能的影響，并且對零件成型后的位移變形和應(yīng)力水平進(jìn)行了工藝仿真，為增材制造航空高性能零件提供了技術(shù)指導(dǎo)。

相關(guān)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(lǐng)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(xué)性能的影響。結(jié)果顯示，在四種掃描策略（0°、67°、90°和Z67°）中，Z67°（67°旋轉(zhuǎn)角分區(qū)掃描策略）試樣的強(qiáng)度最高，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為681MPa和837MPa。隨著拉伸過程的不斷進(jìn)行，試樣的塑性變形機(jī)制從滑移主導(dǎo)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閷\生。在試樣變形量達(dá)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(yīng)力水平和位移變形，位移變形結(jié)果與實驗現(xiàn)象一致。根據(jù)仿真結(jié)果，對零件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，提高了零件的成型質(zhì)量。結(jié)果表明，當(dāng)懸垂角為45°時，零件所需的支撐結(jié)構(gòu)更加合理。最后，通過增材制造成功制備結(jié)構(gòu)復(fù)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(qiáng)度高達(dá)837MPa，屈服強(qiáng)度也達(dá)到681MPa，伸長率為29%，材料性能完全滿足旋流器使用標(biāo)準(zhǔn)。

圖1.（a）室溫拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（b）不同掃描策略下成型試樣的力學(xué)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(yīng)的顯微組織演化。

采用視頻引伸計對材料拉伸過程進(jìn)行了實時跟蹤，根據(jù)試樣應(yīng)變云圖選取了局部變形量為5%、20%、40%和80%的區(qū)域進(jìn)行EBSD表征，結(jié)果當(dāng)局部變形量達(dá)到40%時，孿晶開始形核并不斷長大；當(dāng)局部變形量達(dá)到80%時，晶粒內(nèi)部出現(xiàn)了較多孿晶。結(jié)合KAM分析，隨著變形量的增加，殘余應(yīng)力不斷累積，當(dāng)達(dá)到孿晶形核所需的切應(yīng)力時，孿晶的生成消耗了晶粒內(nèi)部的殘余應(yīng)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(yīng)的IPF（藍(lán)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(yīng)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(yīng)力水平和位移變形，并根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行了零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

研究了擺放角度與支撐對旋流器成形的影響，結(jié)果表明當(dāng)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(yīng)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(xué)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(chǔ)上，通過總結(jié)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(jī)制。

（3）利用有限元求解分析零件在成形過程中的應(yīng)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(jié)果對模型和支撐進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)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(fù)雜零件的增材制造過程奠定基礎(chǔ)。

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(tuán)隊

李瑞迪，中南大學(xué)教授、博導(dǎo)。

主持國家自然科學(xué)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(quán)發(fā)明專利20件。兼任中國有色金屬學(xué)會增材制造專委會副主任委員，中國機(jī)械工程學(xué)會增材制造技術(shù)分會委員、中國光學(xué)學(xué)會激光加工專業(yè)委員會委員、中國機(jī)械工程學(xué)會極端制造分會委員、全國鋼標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)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(xué)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(shù)》青年編委。擔(dān)任《Journal of Central South University》“粉末冶金與增材制造”專刊客座主編、《中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）》“粉末冶金”?？妥庉?。入選教育部高層次人才青年項目，湖南省科技創(chuàng)新領(lǐng)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(xué)二等獎及中國有色金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎（發(fā)明）。團(tuán)隊研究方向：增材制造粉體材料研發(fā)及在結(jié)構(gòu)件成形中應(yīng)用。

袁鐵錘，中南大學(xué)粉末冶金研究院，工學(xué)博士，二級教授，博士生導(dǎo)師。

2014年4月起擔(dān)任中南大學(xué)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(xué)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(quán)發(fā)明專利10多項，在國內(nèi)外學(xué)術(shù)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(xué)技術(shù)一等獎3項，湖南省自然科學(xué)二等獎1項。