研究人员利用中子成像研究3D打印高温合金的内部结构

2024年10月7日，南极熊获悉，根据美国能源部的最新研究，科学家们成功应用中子成像技术，深入研究通过激光3D打印制造的新型超级合金的应力效应。这些高强度、高耐热的金属材料对于发电领域中使用的先进燃气轮机等极端应用至关重要。

△该研究的题目为“用激光喷吹定向能沉积法制造的IN718-René41梯度超合金中的残余应力和微观结构”（传送门）

研究背景

传统上，涡轮部件如热气通道在不同位置需要满足不同的材料性能要求。为此，一种常见策略是将低成本的、低强化析出相含量的镍基高温合金与具有中/高强化析出相含量的高温合金进行焊接。通过这种方式，既能满足高温区域的使用需求，又能在其他区域降低成本。然而，这种熔焊工艺通常会在材料界面处产生残余应力，可能导致机械性能下降。此外，具有中/高强化析出相含量的高温合金在焊接过程中表现出较差的焊接性，容易发生应变时效开裂问题。

增材制造，尤其是定向能量沉积（DED）技术，提供了制造复杂几何结构和梯度材料的新途径。与传统的焊接方法相比，该技术可以更好地控制不同材料之间的成分过渡，从而减小残余应力的影响并改善机械性能。通过从多个料斗中控制粉末混合，DED技术能够在高温合金之间实现成分梯度变化，优化过渡层的数量、成分和厚度。

△成品和热处理后的IN718/R41级单道薄壁样品，激光行进方向可通过样品表面与构建板平行的轮廓线观察到

此次研究是由通用电气、爱迪生焊接研究所和橡树岭国家实验室（ORNL）的合作团队共同开展的，团队成功利用3D打印技术制造出Inconel 718和René 41合金，并且在制造过程中未发生开裂现象。该工艺采用激光逐层熔合金属粉末形成所需形状，但可能会在内部引入影响材料性能的应力。

为了准确评估这些应力，研究人员在ORNL的散裂中子源（SNS）和高通量同位素反应堆（HFIR）进行了中子成像实验。这两个设施均为美国能源部科学办公室的用户设施，具有独特的优势——中子能够有效穿透致密金属，为内部结构提供详细的洞察。

△(A)中子衍射实验装置；(B)安装在样品架上的三个成品样品 1A、2A和3A以及三个热处理半件 1B、2B和3B的近景图

高温合金残余应力研究揭示制造参数影响与优化

研究结果显示，高温合金中的残余应力主要受制造参数（如激光停留时间和能量水平）的影响，远大于金属化学成分的影响。同时，研究表明，热处理可以有效降低这些残余应力，从而提升材料的整体性能。

△对于成品样品，沿构建方向（从每个地图的构建板侧的距离）计算了平均的KAM值

该团队利用SNS的VULCAN衍射仪和HFIR的MARS成像仪，测量了残余晶格应变的分布，观察了材料在不同加工阶段的应力和成分变化。这些重要发现为行业利用3D打印技术开发更优质的组件提供了新视角，尤其是针对极端环境的应用。

此次研究不仅加深了对3D打印高温合金应力效应的理解，也建立了一种更有效的评估金属应力水平的方法。研究成果对降低制造成本和提高在高应力、高温条件下承受性能的部件具有重大意义。

本研究得到了美国能源部（DOE）能源效率和可再生能源办公室及先进制造办公室的支持。相关工作充分利用了散裂中子源和高通量同位素反应堆的资源，这两个设施均由橡树岭国家实验室运营。