3D打印单晶高温合金突破经典理念

来源：增材制造技术前沿

航空发动机叶片由成本昂贵的单晶镍基高温合金制成。由于服役环境苛刻，单晶叶片容易受到局部损伤，发展可靠的叶片修复技术对航空发动机延寿、降成本至关重要。近些年来，3D打印凭借其“精准定位、可控增材”的特点在单晶叶片的修复/再制造领域展现出诱人的应用前景。

△激光增材制造修复叶片

然而，3D打印材料凝固过程冷却速度快的突出特点，极易造成高残余应力和高位错密度的亚稳态微观组织结构。这种亚稳态结构在标准热处理或服役过程中容易发生再结晶，导致材料高温力学性能下降，造成安全隐患。



由西安交通大学、美国麻省理工学院以及美国约翰霍普金斯大学组成的研究团队刊文指出，从微观结构演化的规律入手，为3D打印单晶高温合金定制热处理制度，可以解决单晶叶片3D打印修复后的再结晶问题，并提出了高温合金塑性变形回复的新机制。

△3D打印镍基单晶的微观结构演变，与研究的新型高温还原退火相比较图

高温合金的标准热处理制度一般由固溶、时效组成，实践证明该工艺流程会导致3D打印高温合金发生再结晶。研究团队经过系统的文献调研与综合分析，提出并证实在固溶前增加“回复”（Recovery）步骤，可以消除再结晶驱动力。

经过“回复-固溶-时效”处理，高温合金的残余应力伴随微观组织γ′相的定向粗化而消除，位错密度可降低至热处理前的5%左右，时效后沉淀强化γ′相达到与铸态基材相同水平。因所发现的现象与高温合金在高温蠕变条件下发生的筏化效应（Rafting）相似，且在事实上起到了回复的效果，故将其命名为“筏化-回复”效应（Rafting-enabled recovery）。

这一发现为防止3D打印单晶由于残余应力未消除而开裂提供了一种实用方法，为增材制造修复、恢复和重塑其他高温合金单晶产品铺平了道路；突破了经典观念所认为的“单晶高温合金不具备回复能力”的认知，为设计3D打印高温合金的非标准热处理制度提供了科学依据，并表明新的热处理制度完全能满足3D打印单晶叶片修复的需求。

参考：Rafting-Enabled Recovery Avoids Recrystallization in 3D-Printing-Repaired Single-Crystal Superalloys