鎳基高溫合金單晶渦輪葉片的修復(fù)是一個(gè)長(zhǎng)期存在的難題。電子束增材制造有望實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，但有一個(gè)強(qiáng)大的障礙：殘余應(yīng)力和γ/γ’微觀結(jié)構(gòu)在單一晶體融合區(qū)經(jīng)過(guò)電子束融化后是不可接受的(例如，容易開裂)；或者，經(jīng)過(guò)固溶熱處理后，發(fā)生再結(jié)晶，帶來(lái)新的晶粒，降低高溫蠕變特性。

近日，來(lái)自西安交通大學(xué)、美國(guó)麻省理工學(xué)院以及美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)一項(xiàng)研究，通過(guò)設(shè)計(jì)一種后3D打印回復(fù)制度消除了再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力，即在固溶和時(shí)效之前增加回復(fù)（Recovery）步驟，可以消除再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力。相關(guān)論文以題為“Rafting‐Enabled Recovery Avoids Recrystallization in 3D‐Printing‐Repaired Single‐Crystal Super alloys”于2月20日發(fā)表在Advanced Materials上。

論文連接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201907164

現(xiàn)代渦輪葉片主要由高溫合金單晶制得，通過(guò)在γ相矩陣中使得γ’相得到有序的立方形析出相來(lái)強(qiáng)化。單晶鎳基高溫合金在抗蠕變、疲勞和氧化等許多方面都比多晶合金有很大的優(yōu)勢(shì)。盡管如此，這些高價(jià)值的單晶葉片在惡劣的環(huán)境下仍然會(huì)受到表面損傷和開裂。因此，希望找到一種方法來(lái)修復(fù)受損的關(guān)鍵表面，同時(shí)保持其單結(jié)晶性質(zhì)以及所需的統(tǒng)一γ/γ’微觀結(jié)構(gòu)。

近年來(lái)出現(xiàn)的多功能3D打印技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有力途徑。但3D打印技術(shù)還不成熟，以下缺陷需要克服：高溫期間不穩(wěn)定，會(huì)出現(xiàn)其他有害的Laves相顆粒；打印過(guò)程中在高熱應(yīng)力下會(huì)出現(xiàn)局部的變形，在熱影響區(qū)(HAZ)產(chǎn)生高密度的位錯(cuò)；在經(jīng)過(guò)高溫固溶處理后，會(huì)出現(xiàn)再結(jié)晶(RX)，使得微觀結(jié)構(gòu)多晶化，從而降低葉片的高溫蠕變性能。因此，迫切需要設(shè)計(jì)一種創(chuàng)新的修復(fù)方法，保留3D打印技術(shù)本身的優(yōu)點(diǎn)之外同時(shí)克服以上的缺點(diǎn)。

為此，研究者們的策略是設(shè)計(jì)后3D打印退火，以減少破壞單晶結(jié)構(gòu)的再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力。標(biāo)準(zhǔn)固溶熱處理(HT)之前，所有的γ′消失，在HAZ中積累的位錯(cuò)(以及相關(guān)的多余能量)可以通過(guò)筏化-回復(fù)（rafting-facilitated recovery）來(lái)消除。這樣固溶前進(jìn)行回復(fù)熱處理的方案，使得立方形的γ’析出相變得不穩(wěn)定并且連接在一起，在熱影響區(qū)形成平面筏化析出相。這大大降低了位錯(cuò)密度，因此在后續(xù)的固溶和時(shí)效熱處理中，按照通常使用的標(biāo)準(zhǔn)方案，RX不會(huì)被觸發(fā)成新晶粒核。

以第一代單晶鎳基高溫合金AM3為模型，采用無(wú)原料電子束熔煉技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了模擬3D打印修復(fù)。電子束熔化后，亞固溶退火的預(yù)回復(fù)是通過(guò)筏化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。定向粗化γ′粒子促進(jìn)位錯(cuò)重排和消失。在后續(xù)的固溶處理中，筏化微觀結(jié)構(gòu)將會(huì)被去除，留下一個(gè)沒(méi)有損害和殘余應(yīng)力的單晶，與余下的渦輪葉片統(tǒng)一的γ′析出相毫無(wú)區(qū)別。

圖1 由標(biāo)準(zhǔn)溶液HT誘導(dǎo)的3D打印鎳基單晶的微觀結(jié)構(gòu)演變，與研究的新型高溫還原退火相比較圖。

圖2 EBM樣本在不同的熱處理工藝前后

圖3 在EBM樣本中的不均勻分布的γ′形態(tài)、彈性應(yīng)變和混亂情況

圖 4 先回復(fù)退火的新方案熱處理后，樣本均勻分布的γ′形態(tài)、彈性應(yīng)變、混亂情況

圖 5 1100°C回復(fù)退火后γ′形態(tài)學(xué)、彈性應(yīng)變和混亂情況

這一發(fā)現(xiàn)為防止3D打印單晶由于殘余應(yīng)力未消除而開裂提供了一種實(shí)用的方法，為增材制造修復(fù)、恢復(fù)和重塑其他高溫合金單晶產(chǎn)品鋪平了道路；突破了經(jīng)典觀念所認(rèn)為的“單晶高溫合金不具備回復(fù)能力”的認(rèn)知，為設(shè)計(jì)3D打印高溫合金的非標(biāo)準(zhǔn)熱處理制度提供了科學(xué)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(fù)的需求。