研究人員利用中子成像研究3D打印高溫合金的應力演變

2024年10月6日,，南極熊獲悉,，美國能源部宣稱他們的研究人員已成功利用中子成像技術(shù)研究通過激光 3D 打印制造的新型高溫合金的應力效應,。這些先進材料由高強度,、高耐熱的金屬組成，對于發(fā)電中使用的先進燃氣輪機等極端應用至關(guān)重要,。

這項研究以題為“Residual stress and microstructurein IN718-René41 graded superalloy fabricated by laser blown directed energydeposition/激光吹制定向能量沉積制備的 IN718-René41 梯度高溫合金中的殘余應力和微觀結(jié)構(gòu)”,，發(fā)表在《Frontiers in Metals and Alloys》期刊上。

論文鏈接：https://doi.org/10.3389/ftmal.2022.1070562

在研究項目中,，來自通用電氣,、愛迪生焊接研究所和橡樹嶺國家實驗室 (ORNL)的合作團隊使用激光 3D 打印技術(shù)打印出 Inconel 718 和 René 41 合金，且不會開裂,。該工藝涉及使用激光將金屬粉末逐層熔合成所需形狀,，這可能會引入影響材料性能的內(nèi)部應力。

表1. 打印用粉末組成重量百分比(wt%),。

表2. 用于IN718/R41 級樣品的 DED 構(gòu)建參數(shù)（在氬氣環(huán)境中）,。

圖1. 成品和熱處理后的 IN718/R41 級單道薄壁樣品。激光行進方向可通過樣品表面與構(gòu)建板平行的線輪廓看出,。

圖2. (A)中子衍射實驗裝置,；(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 的近視圖,。

為了評估這些壓力，研究人員在ORNL的散裂中子源 (SNS)和高通量同位素反應堆 (HFIR) 進行了中子成像實驗,，這兩個設施都是能源部科學辦公室的用戶設施,。中子非常適合進行這種分析，因為它們能夠穿透致密的金屬并提供對內(nèi)部結(jié)構(gòu)的詳細洞察,。

圖 3.沿構(gòu)建方向的 10° 晶界圖（不包括孿晶界）,。這些圖捕捉了制備好的橫截面中每個樣品的整個高度,。為了更好地進行可視化，這些圖被分為兩個區(qū)域（下半部分和上半部分）,。

圖4.反極圖和沿構(gòu)建方向的極圖,。反極圖地圖捕捉了制備好的橫截面中每個樣本的整個高度。為了更好地可視化,，地圖被分為兩個區(qū)域（下半部分和上半部分）,。

圖 5. EBSD 內(nèi)核平均取向誤差（最大 4°）沿構(gòu)建方向的已構(gòu)建樣品圖。為了更好地顯示,，將圖分為兩個區(qū)域（下半部分和上半部分）,。隨后將數(shù)據(jù)平均化為薄片（1B 中黃色絲帶所示），如圖 6所示,。

圖 6. 沿構(gòu)建方向（與每張地圖的構(gòu)建板側(cè)的距離）對已構(gòu)建樣品的平均 KAM 值,。對圖 5中所示的每個薄片進行了平均。

研究發(fā)現(xiàn),，高溫合金中的殘余應力受制造參數(shù)（如激光停留時間和能量水平）的影響大于受金屬化學成分的影響,。研究顯示，熱處理可以有效降低這些應力,，從而提高材料的性能,。

圖 7. EPMA 沿構(gòu)建方向測量 1B、2B,、3B 樣品半成品中 Co,、Mo、Nb,、Al,、Ti 和 Fe 元素的定量成分分布（重量百分比）。垂直虛線標記每個成分區(qū)域的邊界（IN718,、80% IN718–20%R41,、60% IN718–40% R41、40% IN718–60% R41,、20% IN718–80% R41,、R41）。

圖8.( A)初始狀態(tài)的3A和熱處理后的3B的中子透射圖像,；(B)使用EPMA定量成分測量的中子衰減系數(shù)(cm −1 )之間的比較,。

圖 9.沿建造方向和長度方向的殘余應力輪廓 1A、2A,、3A,。樣本圖片中的黃色虛線表示映射區(qū)域。

圖 10. 應力釋放熱處理樣品 1B、2B,、3B 沿構(gòu)建方向和長度的殘余應力輪廓線,。

圖 11. 計算的初始樣品和經(jīng)過應力消除熱處理后的樣品的無應力晶格參數(shù)。

圖 12,。熱處理樣品的 IN718-R41 梯度的無應力晶格參數(shù)與從各種基于組成的模型（Caron,，2000 年；Wang 等人,，2007 年,；Kablov 和 Petrushin，2008 年,；Lazo 等人,，2009 年）和帶有 TCNI 數(shù)據(jù)庫的 Thermo-Calc 預測的晶格參數(shù)的比較。

該團隊利用 SNS 的 VULCAN 衍射儀和 HFIR 的 MARS 成像儀測量了殘余晶格應變的分布,，以觀察材料在不同加工階段的應力和成分如何變化,。這些發(fā)現(xiàn)將有助于行業(yè)使用 3D 打印開發(fā)更好的組件，尤其是針對極端環(huán)境下的應用,。

這項研究加深了對 3D 打印高溫合金應力效應的理解,，并建立了一種更有效的評估金屬應力水平的方法。研究結(jié)果對于降低制造成本和提高在高應力和高溫條件下承受的部件的性能具有重要意義,。

這項工作得到了美國能源部 (DOE) 能源效率和可再生能源辦公室,、先進制造辦公室的支持,。這項研究的一部分使用了散裂中子源和高通量同位素反應堆的資源,，這兩個設施都是美國能源部科學辦公室的用戶設施，由橡樹嶺國家實驗室運營,。