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)

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。

△該研究的題目為“用激光噴吹定向能沉積法制造的IN718-René41梯度超合金中的殘余應(yīng)力和微觀結(jié)構(gòu)”（傳送門）

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。