南科大王帅团队提出适用于3D打印金属力学性能的预测模型

来源：南方科技大学

2022年5月，南方科技大学机械与能源工程系副教授王帅团队在金属增材制造领域取得研究进展，相关论文以“Evolution of dislocation cellular pattern in Inconel 718 alloy fabricated by laser powder-bed fusion”为题发表在增材制造领域顶刊Additive Manufacturing。研究团队提出了一种适用于3D打印金属力学性能的预测模型，有助于3D打印金属的性能控制理论的发展，以期实现航空航天、新能源等关键领域关键装备的“控形-控性”一体化高品质制造。

位错是晶体材料内的一种微观缺陷，位错密度、分布和特征尺寸显著影响晶体材料的宏观力学性能。金属3D打印是一项全新的数字化先进制造技术。采用3D打印技术制备的合金中普遍存在一种典型的晶粒内部亚结构——位错胞状结构。尽管研究表明，位错胞状结构是3D打印合金强度提高的主要原因，但是位错胞状结构在塑性变形过程中的演化规律仍然不清楚，弄清楚位错胞状结构的演化规律对理解材料强化机制和加工硬化行为至关重要。

Inconel 718合金是目前应用最为广泛的高温合金之一，在600℃以上仍具有良好的强度、疲劳寿命、抗腐蚀和抗蠕变性能，在航空航天、石油天然气行业有着广泛的应用。研究团队采用多尺度表征手段，系统研究了激光粉末床熔融技术制备的Inconel 718合金的微观组织特征以及位错胞状结构在拉伸变形过程中的演化规律。研究发现，Inconel 718合金中存在丰富的位错结构（图1）。位错胞状结构在拉伸变形中不会自分化演化（图2），与经过剧烈变形后金属中产生的位错胞不同。在拉伸变形过程中，合金的塑性变形方式主要由位错滑移主导，在高应变水平下变形孪晶也参与协调塑性变形。研究结果表明，位错胞状结构的强化机制不能单纯用Taylor公式或者Hall-Petch公式解释（图3）。

图1激光粉末床熔融制备Inconel 718合金中丰富的位错结构

图2位错胞状结构在不同应变下的形貌：A1-A2, ε=5%, B1-B2, ε=10%, C1-C2, ε=20%, D1-D2, ε=34.2% (strain-to-failure).

图3位错胞状结构尺寸与流变应力关系

南方科技大学机械与能源工程系研究助理教授何明琳为论文第一作者，王帅为论文通讯作者。南科大是论文第一单位。该项目得到了国家自然科学基金以及深圳市科技创新委员会的支持。



论文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S221486042200238X