2022-12-08 | 科研部 南科大朱强团队在高机能材料激光增材制造领域取得系列进展

近期，南方科技大学机械与能源工程系讲席教授朱强研究团队针对高机能金属材料的激光增材制造过程中热裂难题进行了系统研究并取得一系列研究进展，相继在Additive Manufacturing, Composite Part B: Engineering, Nano Materials Science等国际期刊上发表5篇论文。

作为一种先进的成形工艺，增材制造（又称3D打印）技术由于其在加工具有独特、复杂几何形貌产品方面的独特优势，已经广泛应用在航空航天、武器装备、汽车工业和电子等高端领域。而目前大部分金属材料由于打印过程中复杂的熔化和凝固动力学通常会导致有害的微观组织，如周期性裂纹与粗大柱状晶等，都无法直接用于激光增材制造。因此，开发出打印性良好、无裂纹且力学性能优异的金属材料是进一步推动增材制造应用的关键。

2xxx系高强铝合金是汽车工业与航天航空领域应用最广泛的铝合金之一，但其凝固区间广，热裂倾向严重，因此成形难度较大。如何以低成本的方法在2xxx系铝合金粉末床激光熔融技术中实现裂纹的消除与性能的提高，对开发复杂轻量化产品具有重要的科学意义和应用价值。研究团队提出了一种添加低成本纳米氧化钛颗粒改性原始粉末的方法，以提高2219铝合金在增材制造过程中的成形性。在本设计中，通过氧化钛的铝热还原反应将在铝合金中具有高形状限制因子的钛原子弥散分布在铝基体中，从而显著地细化了晶粒并消除了裂纹。结果表明，改性后的2219铝合金的致密度高达99.97%，并呈现出晶粒尺寸双峰分布的微观组织。在力学性能上，添加纳米氧化钛颗粒后的2219铝合金在25~315℃范围内与2219锻造铝合金的拉伸强度相当，并明显高于通过其他增材制造方式成形的2219铝合金。该研究成果以“Laser powder bed fusion of nano-titania modified 2219 aluminium alloy with superior mechanical properties at both room and elevated temperatures: The significant impact of solute”为题发表在Additive Manufacturing上。

图1增材制造2219铝合金致密度、微观组织与性能的优化

7xxx系高强铝合金是铝合金中强度最高的一个系列，是国际上公认的航空主干材料，但也存在着热裂纹难以消除的难题，被认为是典型的不可焊接材料。研究团队提出了一种高效、便捷、可控性好的复合细化策略，实现了晶粒细小均匀、无明显裂纹、致密度高、力学性能优异的7050高强铝合金成形。在本设计中，不仅可以充分发挥纳米陶瓷TiN和合金元素Ti各自改善合金成形性、细化α(Al)的作用来细化晶粒、解决热裂问题，还能利用二者之间的协同效应进一步细化、强化合金，以显著地提高合金力学性能。采用复合细化剂的7050铝合金能获得平均尺寸为纳米级的超细晶粒，直接时效热处理后其极限抗拉强度可达408～618MPa，断后延伸率（EI）可达13.2～8.8%，高于绝大部分增材制造铝合金。该复合细化的理念为高强铝合金激光3D打印中的工业化应用提供理论指导和技术借鉴，并有望推广到其他可能的合金或加工领域，以实现更广泛的应用。该研究成果以“Novel approach to additively manufacture high-strength Al alloys by laser powder bed fusion through addition of hybrid grain refiners”为题发表在Additive Manufacturing上。

图2复合细化策略对增材制造7050高强铝合金晶粒细化作用与性能的优化

高温合金是指能在600°C以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料，已广泛应用在以航空发动机为代表的高端领域，被誉为“现代工业皇冠上的明珠”。与高强铝合金类似，高性能高温合金通常也面临着热裂敏感性高、成形难度大等困难。镍基高温合金Inconel738LC（IN738LC）是一种γʹ沉淀强化合金，在800°C以上的温度仍有较为优异的力学性能、抗氧化性能以及热稳定性。由于其复杂的化学元素组成以及激光增材制造本身的复杂冶金过程，被认为是一种难焊接高温合金。研究团队首创了一种“纳米粗化剂”，在与商业IN738LC颗粒混合后进行选取激光熔化成形。使得打印材料裂纹被消除的同时，晶粒没有产生细化作用（与铝合金相反，对于高温下使用的合金，细化的组织往往不利）。其原理在于加入纳米级的氧化钇颗粒，在打印过程中原位与合金中的Al元素发生反应，生成细小的纳米级YAM（Y4Al2O9），该粒子的Y点位可与合金中的Zr原子发生替换，消除了Zr元素在晶界处的偏析，从而达到了消除裂纹的目的；另外，YAM粒子是一种优异的隔热粒子，可以有效的降低熔体的凝固速率，使得晶粒发生的粗化的作用。加入纳米级的氧化钇颗粒的IN738LC复合材料在850°C的屈服强度由615 ± 8 MPa提升到了633 ± 9 MPa，抗拉强度由714 ± 11 MPa提升到了773 ± 5 MPa。该研究成果以“Y2O3 nanoparticles decorated IN738LC superalloy manufactured by laser powder bed fusion: Cracking inhibition, microstructures and mechanical properties”为题发表在Composites Part B上。

图3 纳米氧化钇颗粒添加复合材料的凝固过程示意图和组织对比。

对于IN738LC的裂纹消除工作，研究团队还试图通过改变打印工艺的途径加以实现。脉冲机关由于特殊的激光工作特性，广泛应用于焊接技术中，往往能产生特殊的组织。团队利用脉冲激光实现了IN738LC合金的打印，同时消除了打印组织中的裂纹。通过模拟发现，相较于连续激光，脉冲激光可以增加打印过程中熔体的冷却速率，从而达到细化晶粒的目的。在细化的组织中，一些高裂纹敏感性的大角度晶界被转变成了小角度晶界；另外由于细化组织晶界数量增加，使得单位长度晶界的元素偏析下降，进一步控制了开裂，从而提高了力学性能。该研究成果以“A comparing study of defect generation in IN738LC superalloy fabricated by laser powder bed fusion: Continuous-wave mode versus pulsed-wave mode”为题发表在Journal of Materials Science & Technology上。

图4连续激光和脉冲激光的组织对比图以及凝固温度模拟结果。

由于增材制造技术涉及流体、冶金等繁多的理化过程，加之镍基高温合金组分比较复杂，打印产品中的开裂现象是一个非常普遍存在的现象，因此明确开裂机理并采用适合的手段消除裂纹十分重要。基于团队之前对增材制造过程中高性能合金裂纹缺陷的大量研究，团队还回顾了相关文献，总结了镍基高温合金在增材制造形成过程中的开裂行为以及裂纹的解决方法。增材制造镍基高温合金的裂纹可主要分为三种：凝固裂纹，液化裂纹与失塑裂纹。针对不同的开裂机理，团队总结出两大类主要的裂纹消除方法：一是改变成形工艺从而达到控制材料凝固和温度梯度的目的，如参数化设计、脉冲激光、基板预热等；二是改变合金成分控制元素偏析或者改变凝固组织的最终结构，如合金设计、采用金属基复合材料、材料微合金化等。此外，为促进增材制造镍基高温合金的未来发展和商业化应用，还阐明了未来值得探索的领域：探索具有不同复杂结构的镍基高温合金零部件的工艺-结构-性能关系；定制和开发新针对于增材制造的无裂纹镍基高温合金；制定增材制造镍基高温合金的规范和标准。该研究成果以“Additive manufacturing of Ni-based superalloys: Residual stress, mechanisms of crack formation and strategies for crack inhibition”为题发表在Nano Materials Science上。

图5增材制造镍基高温合金的开裂机理以及消除方法

朱强为以上系列研究工作论文通讯作者，其中第二、三、四篇论文，南科大为论文第一单位。第一作者分别为南方科技大学-香港城市大学联合培养博士生李干、博士后黄禹赫（现为北京科技大学讲师），博士后李欣蔚（现为深圳大学副研究员）、博士生郭川（现为香港城市大学深圳研究院副研究员）。论文的主要合作者还包括香港城市大学吕坚院士，昆士兰大学张明星教授，伯明翰大学高级讲师R. Mark Ward等。以上研究工作得到了国家自然科学基金、深圳市重点实验室与深圳市孔雀团队等基金的资助以及南方科技大学分析测试中心的大力支持。

论文链接：

1:https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103296 

2:https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102400 

3:https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.109555 

4:https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.03.006 

5:https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2022.08.001 

供稿：机械与能源工程系

通讯员：邓苏

主图：丘妍

编辑：朱增光