增材制造（3D打印）被廣泛認(rèn)為是當(dāng)代的顛覆性技術(shù)，然而對于關(guān)鍵的航天航空部件而言，有諸多痛點(diǎn)尚未解決。例如應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪的高性能高溫合金，由于增材過程中會(huì)產(chǎn)生過多微觀缺陷，很難付諸應(yīng)用。長期以來，高溫合金的設(shè)計(jì)通常需精準(zhǔn)把控十種元素以上的成分才能獲得必要的性能，這導(dǎo)致基于實(shí)驗(yàn)的“暴力破解”法杯水車薪。且高溫性能的持續(xù)損傷和壽命評(píng)估須大量數(shù)據(jù)支持。高溫合金的設(shè)計(jì)與發(fā)展一直是行業(yè)難題。

近期，牛津大學(xué)的湯元博博士與Roger C Reed院士等研究者通過合金設(shè)計(jì)（Alloys-By-Design）的理念成功設(shè)計(jì)出兩款新型可增材制造的高溫合金。研究先用選區(qū)激光熔化（SLM）進(jìn)行制造，并通過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可靠的高溫性能，為新型合金的設(shè)計(jì)提供了新思路。該成果以“Alloys-by-design: Application to New superalloys for additivemanufacturing”發(fā)表于近期的金屬頂刊《Acta Materialia》。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645420307175

合金設(shè)計(jì)理念 （Alloys-By-Design）于2009年被首次提出并應(yīng)用于單晶高溫合金。其采用龐大的成分設(shè)計(jì)空間與可靠的物理模型來評(píng)估合金的多種性能，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行篩選和優(yōu)化。對于AM的可加工性而言，核心考量為凝固與應(yīng)變時(shí)效行為。設(shè)計(jì)之初采用的指標(biāo)為Scheil凝固區(qū)間與應(yīng)變時(shí)效指數(shù)，同時(shí)結(jié)合蠕變，強(qiáng)度，TCP相穩(wěn)定程度等指標(biāo)。文章后期則應(yīng)用了更加深入的分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證指標(biāo)的可靠性與應(yīng)用范圍。

圖一：經(jīng)過ABD方法篩選過后的優(yōu)化設(shè)計(jì)空間

在上述設(shè)計(jì)空間內(nèi)，先選取ABD-850AM進(jìn)行概念驗(yàn)證，同時(shí)采用分布在設(shè)計(jì)空間不同位置的兩種常用高溫合金進(jìn)行對比：IN939，CM247LC。由圖二與圖三所示，三種合金均通過氬氣霧化方式獲得十分接近的分布，且通過一致的激光參數(shù)進(jìn)行增材制造。新型合金ABD-850AM明顯具有更好的AM加工性與更低的織構(gòu)。另外兩種高溫合金普遍具有大量的微裂紋。對微裂紋的進(jìn)行細(xì)致表征后，共發(fā)現(xiàn)三種裂紋的形成機(jī)理，分別為：凝固開裂，液化開裂與固態(tài)開裂。如圖四至圖六所示。

圖二：三種合金粉末與增材制造后的微裂紋表征。

圖三：三種合金XY和XZ兩個(gè)面的SEM與EBSD表征結(jié)果。新型ABD-850AM的織構(gòu)明顯低于其他兩種合金。

圖四：凝固裂紋的微觀組織。

圖五：液化裂紋的微觀組織。

圖六：固態(tài)裂紋的微觀組織。

合金設(shè)計(jì)采用凝固區(qū)間作為指標(biāo)固然可以進(jìn)行快速篩選，但該方法并不探討凝固行為的最后階段。因此，該項(xiàng)工作在后期采用Sindo Kou教授提出的凝固標(biāo)準(zhǔn)以解析不同合金的凝固開裂風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，在失塑區(qū)間的高溫力學(xué)測試也用來驗(yàn)證固態(tài)開裂的敏感性。

圖七：采用S Kou標(biāo)準(zhǔn)的多種合金凝固開裂風(fēng)險(xiǎn)分析

圖八：三種合金的初始態(tài)（as-fabricated state）微觀組織通過維氏硬度表征有較大差異，然而在熱處理后，三種合金均達(dá)到了相似的硬度值

圖九：三種合金的初始態(tài)（as-fabricated state）在室溫與失塑區(qū)間的力學(xué)表征。

對AM裂紋缺陷機(jī)理進(jìn)行大量表征與分析后，新型ABD-900AM合金被成功設(shè)計(jì)并投入實(shí)驗(yàn)。該合金展示了良好的AM加工性，高溫強(qiáng)度與延展性。同時(shí)，在ASTM標(biāo)準(zhǔn)化蠕變測試中遠(yuǎn)勝于IN718合金并接近CM247LC合金的蠕變性能。

圖十：新型ABD-900AM合金的微觀組織與高溫力學(xué)性能

圖十一：三種合金的ASTM標(biāo)準(zhǔn)化蠕變測試結(jié)果

綜上所述，該項(xiàng)工作很好的驗(yàn)證了基于計(jì)算的合金設(shè)計(jì)理念可以高效遴選可靠的合金成分，為適用于增材制造的新型合金提供了新思路。