南方科技大學機械與能源工程系講席教授朱強

近期，南方科技大學機械與能源工程系講席教授朱強研究團隊針對高機能金屬材料的激光增材制造過程中熱裂難題進行了系統(tǒng)研究并取得一系列研究進展，相繼在Additive Manufacturing, Composite Part B: Engineering, Nano Materials Science等國際期刊上發(fā)表5篇論文。

作為一種先進的成形工藝，增材制造（又稱3D打印）技術由于其在加工具有獨特、復雜幾何形貌產品方面的獨特優(yōu)勢，已經廣泛應用在航空航天、武器裝備、汽車工業(yè)和電子等高端領域。而目前大部分金屬材料由于打印過程中復雜的熔化和凝固動力學通常會導致有害的微觀組織，如周期性裂紋與粗大柱狀晶等，都無法直接用于激光增材制造。因此，開發(fā)出打印性良好、無裂紋且力學性能優(yōu)異的金屬材料是進一步推動增材制造應用的關鍵。

2xxx系高強鋁合金是汽車工業(yè)與航天航空領域應用最廣泛的鋁合金之一，但其凝固區(qū)間廣，熱裂傾向嚴重，因此成形難度較大。如何以低成本的方法在2xxx系鋁合金粉末床激光熔融技術中實現(xiàn)裂紋的消除與性能的提高，對開發(fā)復雜輕量化產品具有重要的科學意義和應用價值。研究團隊提出了一種添加低成本納米氧化鈦顆粒改性原始粉末的方法，以提高2219鋁合金在增材制造過程中的成形性。在本設計中，通過氧化鈦的鋁熱還原反應將在鋁合金中具有高形狀限制因子的鈦原子彌散分布在鋁基體中，從而顯著地細化了晶粒并消除了裂紋。結果表明，改性后的2219鋁合金的致密度高達99.97%，并呈現(xiàn)出晶粒尺寸雙峰分布的微觀組織。在力學性能上，添加納米氧化鈦顆粒后的2219鋁合金在25~315℃范圍內與2219鍛造鋁合金的拉伸強度相當，并明顯高于通過其他增材制造方式成形的2219鋁合金。該研究成果以“Laser powder bed fusion of nano-titania modified 2219 aluminium alloy with superior mechanical properties at both room and elevated temperatures: The significant impact of solute”為題發(fā)表在Additive Manufacturing上。

圖1增材制造2219鋁合金致密度、微觀組織與性能的優(yōu)化

7xxx系高強鋁合金是鋁合金中強度最高的一個系列，是國際上公認的航空主干材料，但也存在著熱裂紋難以消除的難題，被認為是典型的不可焊接材料。研究團隊提出了一種高效、便捷、可控性好的復合細化策略，實現(xiàn)了晶粒細小均勻、無明顯裂紋、致密度高、力學性能優(yōu)異的7050高強鋁合金成形。在本設計中，不僅可以充分發(fā)揮納米陶瓷TiN和合金元素Ti各自改善合金成形性、細化α(Al)的作用來細化晶粒、解決熱裂問題，還能利用二者之間的協(xié)同效應進一步細化、強化合金，以顯著地提高合金力學性能。采用復合細化劑的7050鋁合金能獲得平均尺寸為納米級的超細晶粒，直接時效熱處理后其極限抗拉強度可達408～618MPa，斷后延伸率（EI）可達13.2～8.8%，高于絕大部分增材制造鋁合金。該復合細化的理念為高強鋁合金激光3D打印中的工業(yè)化應用提供理論指導和技術借鑒，并有望推廣到其他可能的合金或加工領域，以實現(xiàn)更廣泛的應用。該研究成果以“Novel approach to additively manufacture high-strength Al alloys by laser powder bed fusion through addition of hybrid grain refiners”為題發(fā)表在Additive Manufacturing上。

圖2復合細化策略對增材制造7050高強鋁合金晶粒細化作用與性能的優(yōu)化

高溫合金是指能在600°C以上的高溫及一定應力作用下長期工作的一類金屬材料，已廣泛應用在以航空發(fā)動機為代表的高端領域，被譽為“現(xiàn)代工業(yè)皇冠上的明珠”。與高強鋁合金類似，高性能高溫合金通常也面臨著熱裂敏感性高、成形難度大等困難。鎳基高溫合金Inconel738LC（IN738LC）是一種γ?沉淀強化合金，在800°C以上的溫度仍有較為優(yōu)異的力學性能、抗氧化性能以及熱穩(wěn)定性。由于其復雜的化學元素組成以及激光增材制造本身的復雜冶金過程，被認為是一種難焊接高溫合金。研究團隊首創(chuàng)了一種“納米粗化劑”，在與商業(yè)IN738LC顆?；旌虾筮M行選取激光熔化成形。使得打印材料裂紋被消除的同時，晶粒沒有產生細化作用（與鋁合金相反，對于高溫下使用的合金，細化的組織往往不利）。其原理在于加入納米級的氧化釔顆粒，在打印過程中原位與合金中的Al元素發(fā)生反應，生成細小的納米級YAM（Y4Al2O9），該粒子的Y點位可與合金中的Zr原子發(fā)生替換，消除了Zr元素在晶界處的偏析，從而達到了消除裂紋的目的；另外，YAM粒子是一種優(yōu)異的隔熱粒子，可以有效的降低熔體的凝固速率，使得晶粒發(fā)生的粗化的作用。加入納米級的氧化釔顆粒的IN738LC復合材料在850°C的屈服強度由615 ± 8 MPa提升到了633 ± 9 MPa，抗拉強度由714 ± 11 MPa提升到了773 ± 5 MPa。該研究成果以“Y2O3 nanoparticles decorated IN738LC superalloy manufactured by laser powder bed fusion: Cracking inhibition, microstructures and mechanical properties”為題發(fā)表在Composites Part B上。

圖3 納米氧化釔顆粒添加復合材料的凝固過程示意圖和組織對比

對于IN738LC的裂紋消除工作，研究團隊還試圖通過改變打印工藝的途徑加以實現(xiàn)。脈沖機關由于特殊的激光工作特性，廣泛應用于焊接技術中，往往能產生特殊的組織。團隊利用脈沖激光實現(xiàn)了IN738LC合金的打印，同時消除了打印組織中的裂紋。通過模擬發(fā)現(xiàn)，相較于連續(xù)激光，脈沖激光可以增加打印過程中熔體的冷卻速率，從而達到細化晶粒的目的。在細化的組織中，一些高裂紋敏感性的大角度晶界被轉變成了小角度晶界；另外由于細化組織晶界數(shù)量增加，使得單位長度晶界的元素偏析下降，進一步控制了開裂，從而提高了力學性能。該研究成果以“A comparing study of defect generation in IN738LC superalloy fabricated by laser powder bed fusion: Continuous-wave mode versus pulsed-wave mode”為題發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology上。

圖4連續(xù)激光和脈沖激光的組織對比圖以及凝固溫度模擬結果

由于增材制造技術涉及流體、冶金等繁多的理化過程，加之鎳基高溫合金組分比較復雜，打印產品中的開裂現(xiàn)象是一個非常普遍存在的現(xiàn)象，因此明確開裂機理并采用適合的手段消除裂紋十分重要?；趫F隊之前對增材制造過程中高性能合金裂紋缺陷的大量研究，團隊還回顧了相關文獻，總結了鎳基高溫合金在增材制造形成過程中的開裂行為以及裂紋的解決方法。增材制造鎳基高溫合金的裂紋可主要分為三種：凝固裂紋，液化裂紋與失塑裂紋。針對不同的開裂機理，團隊總結出兩大類主要的裂紋消除方法：一是改變成形工藝從而達到控制材料凝固和溫度梯度的目的，如參數(shù)化設計、脈沖激光、基板預熱等；二是改變合金成分控制元素偏析或者改變凝固組織的最終結構，如合金設計、采用金屬基復合材料、材料微合金化等。此外，為促進增材制造鎳基高溫合金的未來發(fā)展和商業(yè)化應用，還闡明了未來值得探索的領域：探索具有不同復雜結構的鎳基高溫合金零部件的工藝-結構-性能關系；定制和開發(fā)新針對于增材制造的無裂紋鎳基高溫合金；制定增材制造鎳基高溫合金的規(guī)范和標準。該研究成果以“Additive manufacturing of Ni-based superalloys: Residual stress, mechanisms of crack formation and strategies for crack inhibition”為題發(fā)表在Nano Materials Science上。

圖5增材制造鎳基高溫合金的開裂機理以及消除方法

朱強為以上系列研究工作論文通訊作者，其中第二、三、四篇論文，南科大為論文第一單位。第一作者分別為南方科技大學-香港城市大學聯(lián)合培養(yǎng)博士生李干、博士后黃禹赫（現(xiàn)為北京科技大學講師），博士后李欣蔚（現(xiàn)為深圳大學副研究員）、博士生郭川（現(xiàn)為香港城市大學深圳研究院副研究員）。論文的主要合作者還包括香港城市大學呂堅院士，昆士蘭大學張明星教授，伯明翰大學高級講師R. Mark Ward等。以上研究工作得到了國家自然科學基金、深圳市重點實驗室與深圳市孔雀團隊等基金的資助以及南方科技大學分析測試中心的大力支持。

論文鏈接：

1.https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103296

2.https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102400

3.https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.109555

4.https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.03.006

5.https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2022.08.001