西交大卢秉恒院士团队丨一种创新的综合打印策略实现增材制造IN718高温合金的综合性能显著提升


发布时间:

2021-09-15

西安交通大学卢秉恒院士团队黄科教授课题组创新地设计了联合摆动打印+ 层间冷却+ 短时热处理的一种新型综合增材制造策略,该策略可以降低直接能量沉积增材制造件的内部气孔和裂纹,进而能显著提升增材制造成形件的力学性能。相关的研究成果发表在材料领域国际期刊《Journal of Materials Science & Technology》上。

西安交通大学卢秉恒院士团队黄科教授课题组创新地设计了联合摆动打印+ 层间冷却+ 短时热处理的一种新型综合增材制造策略,该策略可以降低直接能量沉积增材制造件的内部气孔和裂纹,进而能显著提升增材制造成形件的力学性能。相关的研究成果发表在材料领域国际期刊《Journal of Materials Science & Technology》上。

 

Inconel 718 (IN718) 高温合金是含铌、钼的沉淀硬化型镍铬铁合金,在700℃时具有高强度、良好的韧性以及在高低温环境均具有耐腐蚀性。由于在700℃时具有高温强度和优秀的耐腐蚀性能、易加工性,Inconel718合金可广泛应用于各种高要求的场合。

图1 (a)传统平动制造工艺示意图;(b)摆动+层间强制冷却策略示意图

Inconel 718高温合金因其优异的高温强度、抵抗蠕变和疲劳性能等,目前已被广泛应用于航空航天、核电化工等诸多的领域。基于电弧熔丝的增材制造技术快速制备或修复Inconel 718高温合金大型零部件有望成为一种可靠的替代性工艺技术,以解决目前的传统制造方式制造周期长、材料利用率较低等劣势。

然而,传统电弧增材制造的过程复杂的热历史和高的热输入使得程序过程合金的内部元素偏析较严重,低熔点共晶相富集,从而会诱发产生较多的微裂纹。不合理的工艺成形过程还会造成大量的孔隙等缺陷产生,这些都会严重制约该技术的广泛推广和实际应用。关注公众号: 增材制造硕博联盟,免费获取海量增材资料,聚焦增材制造研究与工程应用!
 

 

图4 使用光学显微镜统计样本缺陷分布及孔隙率特征:(a)平动工艺;(b)摆动工艺

 

 

图5 EBSD结果显示摆动工艺具有更宽的层间细晶带和更小的层间等轴晶组织:(a)平动沉积态;(b)平动热处理态;(a)摆动沉积态;(b)摆动热处理态

图6 SEM结果显示摆动模式具有更低的Laves相体积分数和更少的长链Laves比例:(a)(c)平动工艺统计结果;(b)(d)摆动工艺统计结果

该研究团队采用一种摆动打印模式可以有效地促进熔池的扩展,提高熔池的搭接润湿性,防止堆积溢流,从而可以获得较高的成形几何精度。此外,极低的能量热输入、较短的气孔逸出距离可以将成形过程孔隙类的打印缺陷减少了77.78%,在Inconel 718高温合金中最常见的裂纹缺陷也可以被完全消除。强制层间冷却过程进一步提高了增材制造成形过程的冷却速率,这可以大幅降低了微观偏析程度,减少了长链状Laves相比例。关注公众号: 增材制造硕博联盟,免费获取海量增材资料,聚焦增材制造研究与工程应用!

图8 经(a,c)沉积态和(b,d)改性热处理的WAAM-IN718的应力-应变曲线和统计结果

图9 采用摆动+层间冷却+短时热处理方式获得优异的强度-塑性权衡(a)沉积态统计结果对比;(b)热处理态统计结果对比

最后,经短工艺改性热处理后,沉积态的Inconel 718高温合金的各向异性力学行为同样也会被消除。与传统平行模式的成形样品相比,振荡路径样品的屈服强度和极限抗拉强度能够分别提高5.75%和9.25%,延伸率能够显著提高51.20%,从而获得了优异的强度-塑性权衡。这项研究工作为增材制造大型高性能Inconel 718零部件提供了可靠的工艺参考。

图9 熔池的形状及其形成机制

来源:增材制造硕博联盟,编辑:张维官,审核:王颖

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