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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(zhǎng)期使用，因此被廣泛用于制備航空發(fā)動(dòng)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(guò)激光增材制造技術(shù)來(lái)制備GH3536鎳基高溫合金成為了研究熱點(diǎn)。

中南大學(xué)李瑞迪教授研究團(tuán)隊(duì)研究探討了激光掃描策略對(duì)GH3536鎳基高溫合金顯微組織和力學(xué)性能的影響，并且對(duì)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L(fǎng)aser 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(zhuān)欄將分享該文的創(chuàng)新點(diǎn)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(shì)，制造出高性能航空零件，本工作研究了掃描策略對(duì)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(guò)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(guò)程中的應(yīng)力水平和位移變形，位移變形結(jié)果與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一致。根據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)零件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了零件的成型質(zhì)量。結(jié)果表明，當(dāng)懸垂角為45°時(shí)，零件所需的支撐結(jié)構(gòu)更加合理。最后，通過(guò)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(diǎn)

（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(zhǎng)率為29%，材料性能完全滿(mǎn)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(xiàn)；（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(yàn)后不同變形量對(duì)應(yīng)的顯微組織演化。

采用視頻引伸計(jì)對(duì)材料拉伸過(guò)程進(jìn)行了實(shí)時(shí)跟蹤，根據(jù)試樣應(yīng)變?cè)茍D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(shí)，孿晶開(kāi)始形核并不斷長(zhǎng)大；當(dāng)局部變形量達(dá)到80%時(shí)，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(shí)，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(duì)應(yīng)的IPF（藍(lán)色線(xiàn)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(duì)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(duì)旋流器成形的影響，結(jié)果表明當(dāng)擺放角度為45°時(shí)，能充分利用45°懸垂角使得內(nèi)流道無(wú)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(wú)支撐；(a2)0°有支撐；(a3)45°無(wú)支撐；(a4)45°有支撐

應(yīng)力分布：(b1)0°無(wú)支撐；(b2)0°有支撐；(b3)45°無(wú)支撐；(b4)45°有支撐

啟示

（1）通過(guò)改變掃描工藝策略探究其對(duì)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(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)總結(jié)晶體在不斷被拉伸的過(guò)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(guò)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(duì)零件成形性能的影響，根據(jù)求解結(jié)果對(duì)模型和支撐進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低零件在成形過(guò)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(guò)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(duì)

李瑞迪，中南大學(xué)教授、博導(dǎo)。

主持國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合重點(diǎn)項(xiàng)目、面上項(xiàng)目、青年基金，中船重工、中車(chē)工業(yè)等科研項(xiàng)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(diǎn)論文1篇，獲授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利20件。兼任中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)增材制造專(zhuān)委會(huì)副主任委員，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造技術(shù)分會(huì)委員、中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)激光加工專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)極端制造分會(huì)委員、全國(guó)鋼標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)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(zhuān)刊客座主編、《中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）》“粉末冶金”專(zhuān)刊客座編輯。入選教育部高層次人才青年項(xiàng)目，湖南省科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，湖南省杰青，中國(guó)有色金屬青年科技獎(jiǎng)。第一完成人獲湖南省政府自然科學(xué)二等獎(jiǎng)及中國(guó)有色金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)（發(fā)明）。團(tuán)隊(duì)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(jí)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(zhǎng)。長(zhǎng)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(guó)家科技支撐計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、863項(xiàng)目、省科技計(jì)劃及橫向合作項(xiàng)目30多項(xiàng)，第一發(fā)明人獲授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利10多項(xiàng)，在國(guó)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(guó)有色金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)3項(xiàng)，湖南省自然科學(xué)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。