西安交大科研人員在3D打印單晶高溫合金領(lǐng)域取得突破

來源：交大新聞網(wǎng)

利用同步輻射微衍射,、透射電鏡等先進表征技術(shù),，西安交大材料學院單智偉研究團隊從微觀結(jié)構(gòu)演化的規(guī)律入手,，為3D打印單晶高溫合金定制了熱處理制度，解決了單晶葉片3D打印修復后的再結(jié)晶問題,，并提出了高溫合金塑性變形回復的新機制,。

航空發(fā)動機的葉片由成本昂貴的單晶鎳基高溫合金制成。由于服役環(huán)境苛刻,，單晶葉片容易受到局部損傷,，發(fā)展可靠的葉片修復技術(shù)對航空發(fā)動機延壽、降成本至關(guān)重要,。3D打印憑借其“精準定位,、可控增材”的特點在單晶葉片的修復/再制造領(lǐng)域展現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景。但由于3D打印冷卻速度快,，容易造成高殘余應(yīng)力,、高位錯密度的亞穩(wěn)態(tài)微觀組織結(jié)構(gòu)。這種亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)在標準熱處理或服役過程中容易發(fā)生再結(jié)晶,，導致材料高溫力學性能下降,，造成安全隱患。因此急需針對3D打印單晶高溫合金目前存在的問題,，研發(fā)一種新的工藝,，使之滿足：無再結(jié)晶，應(yīng)力小,、位錯密度低,，且g￠沉淀強化相的形貌、密度與基體高溫合金一致,。

高溫合金的標準熱處理制度一般由固溶,、時效組成，實踐證明該工藝流程會導致3D打印高溫合金發(fā)生再結(jié)晶,。經(jīng)過系統(tǒng)的文獻調(diào)研與綜合分析,，作者們提出并證實在固溶前增加“回復”（Recovery）步驟，可以消除再結(jié)晶驅(qū)動力,。經(jīng)過“回復-固溶-時效”處理,，先是高溫合金的殘余應(yīng)力伴隨微觀組織γ′相的定向粗化而消除,，且位錯密度可降低至熱處理前的5%左右，時效后沉淀強化γ′相達到與鑄態(tài)基材相同水平,。因所發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象與高溫合金在高溫蠕變條件下發(fā)生的筏化效應(yīng)（Rafting）相似,，且在事實上起到了回復的效果，故將其命名為“筏化-回復”效應(yīng)（Rafting-enabled recovery）,。此發(fā)現(xiàn)突破了經(jīng)典觀念所認為的“單晶高溫合金不具備回復能力”的認知,，為設(shè)計3D打印高溫合金的非標準熱處理制度提供了科學依據(jù)，并表明新的熱處理制度完全能滿足3D打印單晶葉片修復的需求,。

該研究以《利用“筏化-回復”效應(yīng)抑制3D打印修復單晶高溫合金的再結(jié)晶》（“Rafting-Enabled Recovery Avoids Recrystallization in 3D-Printing Repaired Single-Crystal Superalloys”）為題在材料學科權(quán)威期刊Advanced Materials上發(fā)表(doi: 10.1002/adma.201907164),。西安交通大學材料學院陳凱教授為論文的第一和通訊作者，西安交大單智偉教授,，美國麻省理工學院李巨教授,，約翰霍普金斯大學馬恩教授為論文的共同通訊作者。西安交大材料學院研究生黃潤秋,、林思聰,、朱文欣，長安大學李堯博士,，美國勞倫斯伯克利國家實驗室Nobumichi Tamura博士等參與研究,。研究工作得到國家自然科學基金與國家重點研發(fā)計劃的支持。