激光增材制造高溫合金高溫疲勞性能厚度效應研究

來源：材料科學與工程

近年來，為實現(xiàn)關鍵構件的輕量化和結構-功能一體化，增材制造（Additive manufacturing，AM）技術已逐漸應用于制造具有薄壁、格柵、桁架、流道等復雜幾何結構的構件。然而，厚度為幾百微米到幾毫米薄壁構件往往表現(xiàn)出力學性能隨幾何尺度的減小而顯著變化的厚度效應（即薄壁效應），導致增材制造薄壁構件的服役可靠性評價無法完全遵循傳統(tǒng)的設計準則。如何定量描述薄壁構件疲勞性能的厚度效應，闡明其疲勞性能穩(wěn)定性的構件尺寸邊界條件，建立減輕薄壁構件疲勞性能厚度效應的有效策略，已成為AM技術應用領域亟待解決的關鍵問題。

近期，東北大學材料科學與工程學院張濱教授團隊與中國科學院金屬研究所、太行實驗室合作，以激光粉末床熔融（Laser powder bed fusion，LPBF）成形Inconel718合金為研究對象，考察了薄壁試樣厚度（0.25 mm~2.0 mm）和均勻化溫度（1065℃和1100℃）對LPBF成形合金650℃下疲勞性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，具有相同微觀組織尺度薄壁試樣的疲勞壽命隨著試樣厚度與晶粒尺寸之比（t/d）的減小而縮短；1100℃均勻化處理的薄壁試樣疲勞壽命高于1065℃處理的試樣�；�于連續(xù)損傷力學及位錯理論，建立了描述試樣厚度與組織尺度對薄壁構件疲勞壽命耦合影響的理論模型，并據(jù)此獲得了LPBF成形Inconel 718薄壁構件650℃疲勞壽命穩(wěn)定性的t/d邊界條件；同時，提出了通過調控熱處理工藝有效減輕LPBF成形薄壁構件高溫疲勞性能對構件尺寸敏感性的策略。

圖1 激光增材制造Inconel718薄壁構件高溫疲勞性能穩(wěn)定性的尺寸邊界條件及調控策略

相關研究以“Tailoring thickness debit for high-temperature fatigue resistance of Inconel 718 superalloy fabricated by laser powder bed fusion”為題，在International Journal of Plasticity 182 (2024) 104137上進行了詳細報道。論文第一作者為東北大學博士研究生馬濤，通訊作者為東北大學張濱教授、太行實驗室雷力明研究員和中國科學院金屬研究所張廣平研究員。

本工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金項目和中國博士后科學基金博士后資助項目的資助。