增材制造鎳基高溫合金的裂紋形成機理
作者：百檢網 時間：2022-04-07 來源：互聯網
金屬增材制造技術(AM)以其****的設計自由度、超高的材料利用率和通過逐點逐層掃描策略帶來的巨大的制造靈活性而受到廣泛關注。盡管該技術在生產具有復雜幾何形狀/定制結構和優異綜合性能的零部件中表現出巨大的潛力，但裂紋等缺陷是增材制造技術面臨的關鍵挑戰，制約了增材制造技術的進一步廣泛應用。研究表明，眾多高性能高溫合金，如CM247LC、IN939、IN738和Hastelloy X等由于嚴重的周期性裂紋而無法實現可靠的打印。因此，了解裂紋的形成機理及影響開裂敏感性因素是實現裂紋缺陷有效抑制的根本和關鍵。
近日，西北工業大學王錦程教授團隊針對定向能量沉積(DED) Hastelloy X，基于微觀組織分析、熱力學計算結合熱-力耦合模擬等研究方法，揭示了其裂紋形成機理，全面了解了不同冶金因素對裂紋敏感性的影響規律。相關研究成果以題“Cracking mechanism of Hastelloy Xsuperalloy during directed energy deposition additive manufacturing”發表在增材制造頂刊Additive Manufacturing上。
作為一種典型的固溶強化型鎳基高溫合金，Hastelloy X因其優良的抗氧化、耐腐蝕性和高溫強度而被廣泛應用于燃氣渦輪發動機等零部件，如燃燒室殼體和燃油噴嘴。由于燃油噴嘴等幾何形狀*其復雜，采用增材制造技術制備Hastelloy X合金構件展現出顯著優勢，因而引起了工程和科學領域的關注。不幸的是，Hastelloy X合金在增材制造過程中*易開裂。長期以來，關于增材制造Hastelloy X合金的裂紋形成機理一直存在爭議，其開裂敏感性影響因素也尚不清晰。
本研究發現DED-Hastelloy X合金中的裂紋為凝固裂紋，其產生主要C、Mo元素顯微偏析 (促進低熔點液態膜產生)、晶界特征(晶界能和晶界密度)以及高的熱應力/應變水平相關。當增材制造工藝條件(能量密度)改變時，凝固末期的塑性應變率是影響開裂敏感性的關鍵因素之一。首次發現了S-HAGB(易裂大角度晶界)占比是影響裂紋敏感性的重要因素，DED-Hastelloy X合金臨界開裂晶界取向差角為θ*>18?，超過75%的裂紋優先發生在晶界取向差角為25?-45?的范圍內(定義為S-HAGB)，進一步證實了高的晶界能對開裂敏感性的重要影響。此外，晶界密度可通過調節熱應變/應力水平和易裂大角度晶界占比來影響開裂敏感性。
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