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研究人員利用中子成像研究3D打印高溫合金的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3D打印動態(tài)
2024
10/07
12:54
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本帖最后由 冰墩熊 于 2024-10-7 12:54 編輯

2024年10月7日,南極熊獲悉,根據(jù)美國能源部的最新研究,科學(xué)家們成功應(yīng)用中子成像技術(shù),深入研究通過激光3D打印制造的新型超級合金的應(yīng)力效應(yīng)。這些高強(qiáng)度、高耐熱的金屬材料對于發(fā)電領(lǐng)域中使用的先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)等極端應(yīng)用至關(guān)重要。


研究背景

傳統(tǒng)上,渦輪部件如熱氣通道在不同位置需要滿足不同的材料性能要求。為此,一種常見策略是將低成本的、低強(qiáng)化析出相含量的鎳基高溫合金與具有中/高強(qiáng)化析出相含量的高溫合金進(jìn)行焊接。通過這種方式,既能滿足高溫區(qū)域的使用需求,又能在其他區(qū)域降低成本。然而,這種熔焊工藝通常會在材料界面處產(chǎn)生殘余應(yīng)力,可能導(dǎo)致機(jī)械性能下降。此外,具有中/高強(qiáng)化析出相含量的高溫合金在焊接過程中表現(xiàn)出較差的焊接性,容易發(fā)生應(yīng)變時效開裂問題。


增材制造,尤其是定向能量沉積(DED)技術(shù),提供了制造復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)和梯度材料的新途徑。與傳統(tǒng)的焊接方法相比,該技術(shù)可以更好地控制不同材料之間的成分過渡,從而減小殘余應(yīng)力的影響并改善機(jī)械性能。通過從多個料斗中控制粉末混合,DED技術(shù)能夠在高溫合金之間實(shí)現(xiàn)成分梯度變化,優(yōu)化過渡層的數(shù)量、成分和厚度。

△成品和熱處理后的IN718/R41級單道薄壁樣品,激光行進(jìn)方向可通過樣品表面與構(gòu)建板平行的輪廓線觀察到

此次研究是由通用電氣、愛迪生焊接研究所和橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)的合作團(tuán)隊共同開展的,團(tuán)隊成功利用3D打印技術(shù)制造出Inconel 718和René 41合金,并且在制造過程中未發(fā)生開裂現(xiàn)象。該工藝采用激光逐層熔合金屬粉末形成所需形狀,但可能會在內(nèi)部引入影響材料性能的應(yīng)力。

為了準(zhǔn)確評估這些應(yīng)力,研究人員在ORNL的散裂中子源(SNS)和高通量同位素反應(yīng)堆(HFIR)進(jìn)行了中子成像實(shí)驗(yàn)。這兩個設(shè)施均為美國能源部科學(xué)辦公室的用戶設(shè)施,具有獨(dú)特的優(yōu)勢——中子能夠有效穿透致密金屬,為內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供詳細(xì)的洞察。

△(A)中子衍射實(shí)驗(yàn)裝置;(B)安裝在樣品架上的三個成品樣品 1A、2A和3A以及三個熱處理半件 1B、2B和3B的近景圖

高溫合金殘余應(yīng)力研究揭示制造參數(shù)影響與優(yōu)化

研究結(jié)果顯示,高溫合金中的殘余應(yīng)力主要受制造參數(shù)(如激光停留時間和能量水平)的影響,遠(yuǎn)大于金屬化學(xué)成分的影響。同時,研究表明,熱處理可以有效降低這些殘余應(yīng)力,從而提升材料的整體性能。

△對于成品樣品,沿構(gòu)建方向(從每個地圖的構(gòu)建板側(cè)的距離)計算了平均的KAM值

該團(tuán)隊利用SNS的VULCAN衍射儀和HFIR的MARS成像儀,測量了殘余晶格應(yīng)變的分布,觀察了材料在不同加工階段的應(yīng)力和成分變化。這些重要發(fā)現(xiàn)為行業(yè)利用3D打印技術(shù)開發(fā)更優(yōu)質(zhì)的組件提供了新視角,尤其是針對極端環(huán)境的應(yīng)用。

此次研究不僅加深了對3D打印高溫合金應(yīng)力效應(yīng)的理解,也建立了一種更有效的評估金屬應(yīng)力水平的方法。研究成果對降低制造成本和提高在高應(yīng)力、高溫條件下承受性能的部件具有重大意義。

本研究得到了美國能源部(DOE)能源效率和可再生能源辦公室及先進(jìn)制造辦公室的支持。相關(guān)工作充分利用了散裂中子源和高通量同位素反應(yīng)堆的資源,這兩個設(shè)施均由橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室運(yùn)營。




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