|
2024年10月6日，南极熊获悉，美国能源部宣称他们的研究人员已成功利用中子成像技术研究通过激光 3D 打印制造的新型高温合金的应力效应。这些先进材料由高强度、高耐热的金属组成，对于发电中使用的先进燃气轮机等极端应用至关重要。
这项研究以题为“Residual stress and microstructurein IN718-René41 graded superalloy fabricated by laser blown directed energydeposition/激光吹制定向能量沉积制备的 IN718-René41 梯度高温合金中的残余应力和微观结构”，发表在《Frontiers in Metals and Alloys》期刊上。
在研究项目中，来自通用电气、爱迪生焊接研究所和橡树岭国家实验室 (ORNL)的合作团队使用激光 3D 打印技术打印出 Inconel 718 和 René 41 合金，且不会开裂。该工艺涉及使用激光将金属粉末逐层熔合成所需形状，这可能会引入影响材料性能的内部应力。
表1. 打印用粉末组成重量百分比(wt%)。 表2. 用于IN718/R41 级样品的 DED 构建参数（在氩气环境中）。 图1. 成品和热处理后的 IN718/R41 级单道薄壁样品。激光行进方向可通过样品表面与构建板平行的线轮廓看出。 图2. (A)中子衍射实验装置；(B)安装在样品架上的三个成品样品 1A、2A 和 3A 以及三个热处理半件 1B、2B 和 3B 的近视图。
为了评估这些压力，研究人员在ORNL的散裂中子源 (SNS)和高通量同位素反应堆 (HFIR) 进行了中子成像实验，这两个设施都是能源部科学办公室的用户设施。中子非常适合进行这种分析，因为它们能够穿透致密的金属并提供对内部结构的详细洞察。
图 3.沿构建方向的 10° 晶界图（不包括孪晶界）。这些图捕捉了制备好的横截面中每个样品的整个高度。为了更好地进行可视化，这些图被分为两个区域（下半部分和上半部分）。 图4.反极图和沿构建方向的极图。反极图地图捕捉了制备好的横截面中每个样本的整个高度。为了更好地可视化，地图被分为两个区域（下半部分和上半部分）。 图 5. EBSD 内核平均取向误差（最大 4°）沿构建方向的已构建样品图。为了更好地显示，将图分为两个区域（下半部分和上半部分）。随后将数据平均化为薄片（1B 中黄色丝带所示），如图 6所示。 图 6. 沿构建方向（与每张地图的构建板侧的距离）对已构建样品的平均 KAM 值。对图 5中所示的每个薄片进行了平均。
研究发现，高温合金中的残余应力受制造参数（如激光停留时间和能量水平）的影响大于受金属化学成分的影响。研究显示，热处理可以有效降低这些应力，从而提高材料的性能。
图 7. EPMA 沿构建方向测量 1B、2B、3B 样品半成品中 Co、Mo、Nb、Al、Ti 和 Fe 元素的定量成分分布（重量百分比）。垂直虚线标记每个成分区域的边界（IN718、80% IN718–20%R41、60% IN718–40% R41、40% IN718–60% R41、20% IN718–80% R41、R41）。 图8.( A)初始状态的3A和热处理后的3B的中子透射图像；(B)使用EPMA定量成分测量的中子衰减系数(cm −1 )之间的比较。 图 9.沿建造方向和长度方向的残余应力轮廓 1A、2A、3A。样本图片中的黄色虚线表示映射区域。 图 10. 应力释放热处理样品 1B、2B、3B 沿构建方向和长度的残余应力轮廓线。 图 11. 计算的初始样品和经过应力消除热处理后的样品的无应力晶格参数。 图 12。热处理样品的 IN718-R41 梯度的无应力晶格参数与从各种基于组成的模型（Caron，2000 年；Wang 等人，2007 年；Kablov 和 Petrushin，2008 年；Lazo 等人，2009 年）和带有 TCNI 数据库的 Thermo-Calc 预测的晶格参数的比较。
该团队利用 SNS 的 VULCAN 衍射仪和 HFIR 的 MARS 成像仪测量了残余晶格应变的分布，以观察材料在不同加工阶段的应力和成分如何变化。这些发现将有助于行业使用 3D 打印开发更好的组件，尤其是针对极端环境下的应用。
这项研究加深了对 3D 打印高温合金应力效应的理解，并建立了一种更有效的评估金属应力水平的方法。研究结果对于降低制造成本和提高在高应力和高温条件下承受的部件的性能具有重要意义。
这项工作得到了美国能源部 (DOE) 能源效率和可再生能源办公室、先进制造办公室的支持。这项研究的一部分使用了散裂中子源和高通量同位素反应堆的资源，这两个设施都是美国能源部科学办公室的用户设施，由橡树岭国家实验室运营。
| 
京公网安备11010802043351