浙大最新研究:温度对合金层错能及变形机理的影响

在众多的合金应用中,由于钛和钛铝合金具有高强度,高耐腐蚀性以及高强度重量比特性,通常被用作重要材料,例如飞机机身,航空发动机等等。与其他金属或合金相比,钛和钛铝合金需要低温极端环境使用中具有的优异性能。因此研究钛和钛合金材料变形机制的影响,以及合金元素对缺陷行为随温度降低的影响备受广泛关注。

近日,来自浙江大学和西安交通大学的一项研究通过运用位错表征,以及原位电子显微镜下的材料结构和性能同步表征技术,研究了高纯钛和Ti-5at%Al中在室温和液氮温度下的应变过程,分析了温度对钛和钛铝合金堆垛层错能及变形机理。相关论文以题为“Temperature Efect on Stacking Fault Energy and Deformation Mechanisms in Titanium and Titanium-aluminium Alloy”于2月20日发表在Scientific Reports。

论文链接:

https://doi.org/10.1038/s41598-020-60013-6

在这项工作中,研究人员发现Al在Ti-5AT%Al刃型位错核心处的偏聚产生了很强的阻碍作用,促进了室温交叉滑移。然而,随着温度的降低,Al能够显著降低堆垛层错能(SFE)。而在液氮温度下,Ti-5AT%Al的堆垛层错能较低,导致普通平面位错滑移,而Ti则发生大量的位错交叉滑移。

浙大最新研究:温度对合金层错能及变形机理的影响

据广泛报道,即使是少量的合金化原子也能对材料的力学性能产生重大影响。合金化对力学性能的影响不仅与溶质原子的类型有关,还要考虑合金原子的去向。为了进一步说明,本文研究了Ti-5at%Al合金基体中的原子在刃位错核和螺位错核处的分布。通过观察发现Ti、Al原子在螺位错核处分布比较均匀,而Al原子在刃位错核处有偏聚的趋势。通过倾斜跟踪螺位错,获得了螺位错核的原子分辨率图像。

浙大最新研究:温度对合金层错能及变形机理的影响

浙大最新研究:温度对合金层错能及变形机理的影响

然而,在低温下,人们普遍观察到高纯钛中的螺位错不仅只通过平面滑移方式滑移,而是呈现“蛇形”滑移痕迹,这表明其滑移过程中经常发生交叉滑移,这一现象与Ti-5at%Al室温变形时偶然观察到的现象相似。而在Ti-5at%Al中,没有观察到交叉滑移,螺位错沿棱柱面滑移而形成平面滑移。另外Ti-5at%Al在低温下,位错运动不能保持平稳顺畅,而是发生跳动,同时,堆垛层错滑移现象很少发生。无论是高纯钛还是Ti-5at%Al,在液氮温度下的位错运动都明显比室温下的要难。在低温下,高纯Ti的位错运动甚至比Ti-5AT%Al更难,这在以前被认为是完全不太可能的。

浙大最新研究:温度对合金层错能及变形机理的影响

为了研究Al对α-Ti中位错塑性的影响以及温度对堆垛层错能量的影响,研究者分别通过嵌入原子法和蒙特卡洛法研究了金属的变形行为并进一步优化。研究显示在棱柱形{1100}平面上形成堆叠缺陷,添加铝可能会改变能量并在γ表面局部存在,但不改变最小能量路径和稳定堆垛的位置。而温度对高纯Ti中的堆垛层错能量影响很小,但对Ti-Al系统有明显的影响,即,堆垛层错能随着温度的降低而大大降低,而Ti-5at%Al的SFE总是低于纯Ti。

综上所述,结合该项实验和模拟结果,发现合金元素对钛变形机制的影响与温度高度相关,这主要是因为合金元素会导致层错能发生变化。然而铝的偏析会引起强烈的阻碍作用,从而在室温下促进交滑移,铝减小层错能的作用随着温度的降低愈发明显。由于合金的应用通常面临各种环境,因此这种温度相关的合金效应值得特别关注。与此同时,这也为钛及钛合金材料变形机制研究提供了理论基础。(文:冯冯)

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牛逼!一步法制备硬质合金

硬质合金材料由于兼具较高的硬度、较高的强度及韧性、较好的耐磨性,是重要的工具材料。目前,工业上较为普遍使用的生产超细或纳米晶WC/WC-Co粉末的方法主要有高能球磨法、喷雾转换法、化学气相合成法。

另外,WC-Co基硬质合金的生产工艺一般包括钨氧化物的还原、W的碳化、混合粉的湿磨、混合粉的干燥及造粒、生坯压制、脱脂、烧结等工序。显然这种生产工艺繁琐、生产周期较长,同时需要碳化和烧结两次高温过程,能耗较高,如图1所示。

牛逼!一步法制备硬质合金

图1:传统工业方法制备WC-Co硬质合金

华南理工大学朱敏教授团队利用自主研发的介质阻挡放电等离子体辅助高能球磨(dielectric barrier discharge plasma assisted milling,简写为等离子球磨)机设备,实现了短时间内对W-C-Co粉末的有效细化和活化,实验结果证实经放电等离子球磨(≤3h)后得到的复合粉体,经压制成型后,可以在1390℃左右直接烧结得到WC-Co硬质合金,如图2所示。

牛逼!一步法制备硬质合金

图2:基于等离子球磨技术开发的一步法制备WC-Co硬质合金

相比于传统硬质合金制备流程,该方法(碳化烧结一步法)避免了传统硬质合金制备过程中的两次高温缺点,可以一步实现WC的合成和WC-Co合金块体的致密化,是一种具有制备流程短,工艺简便,能耗低的新方法。利用该方法通过调控WC的晶粒大小及形态、控制板状WC排列状态等,制备出了具有双形态、双尺度结构的新型高性能硬质合金。

碳化烧结一步法合成硬质合金

一步法合成硬质合金,是基于放电等离子球磨技术,首先将原始W、C、Co粉末采用等离子球磨制备出纳米晶W-C-Co复合粉末,球磨时间为1-3h左右,然后将所制备的上述复合粉末采用冷压成型制成生坯,最后在真空或低压烧结炉中一步碳化烧结合成WC-Co硬质合金块体,如图2所示。该方法通常所制备的硬质合金为高性能纳米晶或超细晶WC-8Co合金。

图3是普通球磨3h和等离子球磨3h的W-C混合粉末的DSC曲线,经过等离子球磨W-C混合粉末约在900℃便生成WC(新型等离子球磨机可以在800℃以下实现WC合成),这比于常规碳热法的碳化温度下降300-500℃,比工业常用球磨时间缩短了几十到上百小时。

牛逼!一步法制备硬质合金

图3:普通球磨和等离子球磨3h后的W-C混合粉末的DSC曲线

这是因为该方法协同利用机械力活化效应和等离子体活化效应,对实现WC化合物的合成反应极为有利。更重要的是,将等离子球磨制备的高活性W-C-Co复合粉末压制成型,可以直接烧结得到全致密的WC-Co硬质合金块体

更重要的是,采用等离子体球磨制备的W-C-Co粉末具有细小的层片状结构,如图4(a)所示;而且,这种片层结构对后续烧结生成的WC的形态具有诱导作用,使得从W-Co-C混合粉体“一步法”制备WC-Co硬质合金具有板状WC,这也为含板状WC的硬质合金的制备提供了一种新的方法。如图4(b)所示,1000℃碳化得到的纳米WC一般是截角三角形状,平均尺寸在100-300 nm,厚度小于100 nm;当烧结温度提高到1390℃以后,WC仍呈截角三角形状和板状,但明显长大,如图4(c)所示。

牛逼!一步法制备硬质合金

图4:等离子球磨3h后:(a)W-C粉末;(b)W-C粉末在1000℃烧结后的形貌;(c)W-C粉末在1390℃烧结后的

十分有意义的是,采用“一步法”工艺制备出的WC-8Co硬质合金具有优异的力学性能,如图5所示。

牛逼!一步法制备硬质合金

图5:等离子球磨制备不同尺度棱柱状和板状WC-8Co硬质合金的力学性能

在“碳化烧结一步法”的基础上,通过调节等离子球磨时间,将不同球磨时间的W-C-Co混合粉末组合可以获得板状和棱柱状WC双形态组合的硬质合金。 在适当的板状和棱柱状WC的比例时,硬质合金有更好的综合性能。这是因为板状WC具有较好的抗弯强度,而棱柱状WC的存在又较好地避免了因板状WC高度定向排列所导致的纵截面上TRS较低的问题。

两种不同形态WC的的协同作用,不仅保证了硬质合金力学性能的均匀性,而且有效的提高了综合力学性能 。例如:对于真空或低压烧结制备的WC-8Co硬质合金,板状WC百分比约为35%时,其硬度为HRA92.1,横向断裂强度(TRS)约为3800MPa。

因此, 利用等离子球磨技术开发的“碳化烧结一步法”制备WC-Co硬质合金,可以实现WC在多形态和多尺度上的微观调控,有利于制备出高硬度、高强度的WC-8Co硬质合金。

高性能双形态、双尺度WC硬质合金

WC 晶体属于六方晶系,六方系统晶体的各向异性使得WC晶粒在每一个晶体学方向或平面上的物理和力学性能是不同的。WC(0001)基面的硬度是 WC(10-10)面硬度的2倍。当硬质合金中含有一定量的板状WC时,通过板状WC晶粒性能的各向异性和调控其在硬质合金中的分布状态,可制备出性能比普通硬质合金好的双形态硬质合金。

在研究WC的形态变化对硬质合金性能的研究中,发现通过合理调控等离子球磨工艺,可实现后续烧结过程中WC形态控制为棱柱状或者板状(片晶),如图6所示。

牛逼!一步法制备硬质合金

图6:等离子球磨制备的不同尺度的冷柱状和板状WC形貌

在此基础之上,通过调节工艺方法设计并制备出了具有双形态WC晶粒的硬质合金,不同截面上的WC形貌说明通过调节球磨时间可将WC的形态分别调控为棱柱状和板状。在板状WC的含量对提高力学性能的研究中,通过合理设计,调控了不同形态WC在硬质合金基体中的比例以及板状WC的排列状态。

目前,在对所获得的WC-8Co硬质合金保持高硬度的前提下,实现了强度方面的可调控性,硬质合金的力学性能主要表现为:硬度= 91.5 ~ 93.0 HRA,TRS = 3300~4000 MPa,KIC = 17.5 ~ 21.5 MPa*m1/2。

如图7所示一系列双形态硬质合金中的不同WC形态的含量及表1所列力学性能可以看出,双形态硬质合金的典型例C1P1的板状WC含量约为35%,其硬质合金在不同截面上的力学性能为:横截面硬度=92.4HRA,TRS=3795MPa;纵截面上硬度=92.1, TRS=3824MPa。这表明两种不同形态WC的协同作用,不仅保证了硬质合金力学性能在不同截面上的均匀性,而且有效的提高了综合力学性能。

在另一项制备高含量板状WC硬质合金的后续研究工作中,通过对原始W粉颗粒大小进行筛选,并采用合理的制备工艺可较好的对板状WC的定向排列程度进行调控,并取得了硬质合金在横向断裂强度上的进一步突破,如图8所示。

牛逼!一步法制备硬质合金

图8:等离子球磨技术制备双尺度板状WC-Co硬质合金工艺路线

现研究阶段中,含高比例板状WC的WC-8Co硬质合金力学可达到的较优异的力学性能为:横截面硬度= 92.4HRA,TRS = 4083MPa,纵截面上硬度= 92.1HRA,TRS= 3924MPa。

新发现!一种合金设计的新策略、新原则

据所知,目前不存在某种设计具有特定机械性能的合金通用方法。这是由于从合金冶炼到最终产品制造的过程影响机械性能的一组异质变量的分析尚未解决。为了创建设计各种机械性能合金的通用方法,必须列出决定机械性能的因素和变量的总和。

来自俄罗斯的Tula State University(图拉国立大学)的一项最新研究表明:原则上这个问题可以通过以下方式来解决,在一个共同的参照系中分析所有的强化机制,参照单一的因素,从金属化和共价的广义程度上来分析同一参考框架中的所有强化机制,来表征整个结构特征合金所有相中的原子间键。即表征合金的整体金属性和共价性的广义度以及合金所有相中的原子间键。由于这些因素与机械性能的相关性,因此能够通过各种机制改善合金硬化。从能量的观点来看,这些因素对应于合金中所有化学键的总能量中金属键和共价键能量的比例。相关论文以题为“Refection ofstrengthening results in values of generalized degrees of metallicity andcovalence is principle to new strategy of designing alloys”于2月6日发表在Scientific Reports。

论文链接:

https://doi.org/10.1038/s41598-020-58560-z

在这项工作中,相关研究人员根据认知科学“自下而上”的原则来考虑所提出的方法,通过表征整体的金属性和共价性的广义程度以及合金所有相中的原子间键,发现由于这些因素与机械性能的相关性能够通过各种机制改善合金硬化。从能量的观点来看,这些因素对应于合金中所有化学键的总能量中金属键和共价键能量的比例。通常,对于合金基体原子与合金元素和杂质的不同原子间原子键,可通过公式确定键的金属度,共价度和离子度。

在该项研究成果中,研究者考虑了许多特定的示例,这些通用性的金属度和共价度通常表征合金各相中的整个原子间键集合,并通过与以下机械特性的相关关系得到完善:固溶硬化和沉淀硬化的结果(可能考虑到应变硬化和晶界硬化的结果);淬火强化的结果(分析铁和碳原子之间键的共价度后,得出了马氏体硬度与钢中碳浓度之间的数学函数关系);结构的特征,即纳米结构的形式(碳与铁的各种小规模簇状)和微观结构的类型。

新发现!一种合金设计的新策略、新原则

从以上所述可以看出,金属的原子能级结构的参数也可以通过与金属的机械性能相关性来影响其影响的结果(如化学成分和元素分布、结构和相组成,缺陷的影响,从合金的熔炼到产品制造等涉及的工艺过程等等),这些因素决定了产品中的这些特性。也就是说,原子能级能够发挥共同参照系的作用,在参照系中我们可以比较所有这些因素的作用和相互作用之间的关系,以及各种强化机制的作用。显然,所考虑的理论和实验(局部原子构象研究)方法的结合使用具有新结构材料设计的良好前景。(文:冯冯)

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非标别墅大门· 防盗门的首选材料:锌铁合金材质做的门真好

很多客户都不知道,

锌铁合金的门是什么材质?

下面这张图片,是高速护栏

就是锌铁合金材质的

日晒雨淋 永不生锈

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就是碰到水,

泡在水里也没事

反正就是不生锈

只有这种材质的钢材

做的别墅大门 防盗门

才不会油漆脱落 历久如新

非标别墅大门· 防盗门的首选材料:锌铁合金材质做的门真好

成品的锌铁合金大门

就是户外淋雨 暴晒

都没关系 不生锈

不褪色 不掉漆

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至轻、至纯、至刚、至恒

锌铁合金材质,引领行业的革新之路。

  锌铁合金是锌与铁以金属键结合的混合物,

是一个整体,表现出均一的物理和化学性质。

  碱性锌铁合金光亮剂一、性能及特点:

  1.适用于碱性低铁锌铁合金工艺,镀层含铁量0.3-0.8%;

  2.镀层结晶细致,光亮度为白亮;

  3.合金镀层容易钝化,经钝化后的合金镀层,其耐腐蚀性为锌层钝化的三倍以上;

  4.镀液稳定,容易维护,可挂镀或滚镀(含自动线);

  其合金具有许多宝贵的物理、化学、力学性能,如高的强度和韧性、优良的抗腐蚀性能、良好的电真空性能、 具有铁磁性等。通过合金化,可制成高温合金或超合金、耐蚀合金、高电阻合金,电真空合金等具有特殊性能的材料。

  广泛用于航天、航空、船舶、电子、电工、机械、化工、电镀等工业部门。

  重量减轻20%,强度增加10%

  重量相比镀锌板更轻,但力学性能如抗拉强度,更大抗力;表面对硬物压人或摩擦所引起的塑性变形具有更强的抗力。

  除了卓越的耐久性级强度外,它也具有柔韧性和复原性,可以灵活加工,达到设计师所要求的施工形态。

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  锌合金整体成型,永不生锈,永不脱落

  锌合金具有优异的耐蚀性,已越来越受到人们的的重视。

钝化处理比较容易,其耐蚀性比同厚度的镀锌层高三倍以上。

  锌合金是锌整体压膜的首选材料,近年来是最受国外设计师欢迎的材质。

它平衡的物理和化学特性是最合乎需要的,尤其适合压膜铸具,立体形体稳定,抗老化。

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《Nature Commun》双相高熵合金的超高应变硬化

近日,浙江大学、韩国首尔大学、澳大利亚新南威尔士大学与美国加州大学合作的一项最新研究表明,高熵合金应变硬化是由于三维错层错网络的形成而造成的,它阻碍了位错运动并进一步为hcp的形成提供了优选的位置。通过TRIP效应进入相位,发生局部化学成分的变化加剧的现象,为高熵合金的力学行为研究提供了理论基础。相关论文以题为“Real-time observations of TRIP-induced ultrahigh strain hardening ina dual-phase CrMnFeCoNi high-entropy alloy”于2月11日发表在Nature Communications。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-14641-1

研究人员根据工程应力-应变曲线,将Cr20Mn6Fe34Co34Ni6双相高熵合金(DP-HEA)与等原子CrMnFeCoNi Cantor合金进行单轴拉伸性能和晶粒组织比较。对比发现,DP-HEA抗拉强度接近1 GPa,抗延展性接近60%,其性能大大高于Cantor合金,DP-HEA中的整体微观结构的晶粒尺寸在3至10μm之间变化(图1c),明显优于Cantor合金(图1b)。DP-HEA由fcc基质组成,其中hcp相以层状形式生长。在DP-HEA的fcc矩阵中出现Lomer位错锁,能够稳定堆垛层错网络,从而对位错运动(加工硬化)产生强烈的阻碍作用,还可以促进SF底部hcp相的形核和生长。

《Nature Commun》双相高熵合金的超高应变硬化

图1 双相和Cantor合金的比较(红色为奥氏体fcc相,绿色为hcp ε-马氏体,比例尺20μm)

《Nature Commun》双相高熵合金的超高应变硬化

图2 DP-HEA的TEM和STEM表征

《Nature Commun》双相高熵合金的超高应变硬化

图3 薄hcp板的交叉点和堆垛层错对位错运动的障碍影响

研究人员对fcc奥氏体,hcp ε-马氏体和fcc/hcp双相支柱进行纳米压缩测试。发现三种结构支柱均相对均匀地变形,表明具有很高的塑性稳定性。双相的极限强度最高,其次是纯hcp相,最后是纯fcc相,hcp相明显强于fcc相,稳定的堆垛层错网络是动态相变(TRIP)效应的基础,而动态相变是这种双相高熵合金具有出色的塑性和应变硬化的主要来源。

《Nature Commun》双相高熵合金的超高应变硬化

图4 三种结构原位TEM压缩测试

双相HEA Cr20Mn6Fe34Co34Ni6与Cantor合金相比具有较大的晶格畸变,成分上增加了Co和Fe含量,而降低了Mn和Ni含量。化学成分的这种变化不仅会造成位错滑移的物理障碍,而且可能是调节局部堆垛层错能量的关键因素。

《Nature Commun》双相高熵合金的超高应变硬化

图5 DP-HEA中两个堆叠断层相交处的元素分布、映射和线形图

综上所述,在双相高熵合金中,连续的原位相变是应变硬化的主要因素。与传统的双相合金不同,在DP-HEA中,这种转变的动机在于建立堆叠-故障网络,该网络形成了fcc→ hcp转变,并且由于与晶格摩擦有关的波动而固有地形成集中波。该研究可以为理解双相HEA在原子尺度上的局部化学结构以及与氢的动态演化的协同效应提供良好的基础。TRIP效应产生的微观结构,是这种复杂的Cantor型双相合金中结构与性能之间关系的基础。

来源:材料科学与工程公众号。作者:破风

电工合金2019年盈利1.28亿元增长93% 主营业务规模扩大

挖贝网2月26日,电工合金(300697)近日发布2019年年度业绩快报公告,2019年营业总收入为18.62亿元,比上年同期增长31.92%;归属于上市公司股东的净利润为1.28亿元,比上年同期增长92.85%。

公告显示,电工合金总资产为12.35亿元,比本报告期初增长6.08%;基本每股收益为0.615元,上年同期为0.319元。

据了解,报告期内,公司实现营业收入1,862,317,836.55元,较上年同期增加31.92%;利润总额为154,563,334.19元,较上年同期增加80.82%;归属于上市公司股东的净利润为127,939,787.11元,较上年同期增长92.85%。报告期内公司经营业绩增长的主要原因系:(1)铁路相关的投资规模保持较高水平,对电气化铁路接触网系列产品的需求量较大;在铜母线行业中,公司在服务原有客户的同时,持续拓展新客户并取得一定的成效,公司主营业务规模扩大;(2)公司坚持自主研发创新,凭借可靠的产品品质和领先的技术实力,加快新产品开发,巩固提升市场竞争力,主营业务产品的毛利率增长明显。

报告期末,公司总资产1,234,830,343.98元,较期初增长6.08%;归属于上市公司股东的所有者权益840,974,824.28元,较期初增长11.83%;归属于上市公司股东的每股净资产4.04元,较期初增长11.60%。报告期内,公司保持稳健经营,财务状况良好。

资料显示,电工合金主营业务为铜及铜合金产品的研发、生产和销售,主要产品按大类分为电气化铁路接触网系列产品以及铜母线系列产品,其中,电气化铁路接触网系列产品包括电气化铁路用接触线和承力索,铜母线系列产品包括铜母线及其深加工铜制零部件。

来源链接:https://www.cninfo.com.cn/new/disclosure/detail?orgId=9900033206&announcementId=1207325445&announcementTime=2020-02-26%2017:12

本文源自挖贝网

博威合金募资12亿元 投建年产5万吨特殊合金带材项目

北极星太阳能光伏网讯:2020光伏巨头扩产忙,辅材扩产紧随其后。1月10日,博威合金经证监会核准,公开发行可转换公司债券1200万张,每张面值为人民币100元,共累计募资12亿元。

2月26日,公司发布公告已完成募资,将用于投建年产5万吨特殊合金带材项目,该项目总投资额14.9亿,前期投资2.64亿,为公司自筹资金,公司将使用2.64亿资金置换前期已投入的自筹资金部分。

博威合金是新材料与新能源的双巨头企业,主营铜合金、精密细丝和光伏组件业务,光伏板块占营收的16%,毛利的14%,公司全资子公司康耐特的主营业务为太阳能电池、组件的研发、生产和销售。公司研发部门在HIT等高效N型电池技术方面已有超过三年的技术储备和经验积累。此外,博威合金积极布局高端切割丝领域,于2019年收购全球最大的精密细丝研发企业博德高科。

来源: 北极星电力网

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澳大利亚RMIT大学发现超声波可增强3D打印合金的强度

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澳大利亚RMIT大学发现超声波可增强3D打印合金的强度澳大利亚RMIT大学发现超声波可增强3D打印合金的强度

澳大利亚 RMIT 大学发现在 3D 打印过程中使用超声波,可促进金属合金晶粒更紧密,这一进步可以使打印的零件强度更高,一致性更好。3D 打印合金的微观结构通常是由细长的大晶体组成。这些晶粒会造成 3D 打印的合金机械性能较低,并会增加打印过程中开裂的趋势,从而使得 3D 打印部件实际工程应用受限。

墨尔本的 RMIT 大学在打印过程中使用超声波处理,处理的合金的微观结构看起来明显不同:合金晶体非常细小且完全等轴,这意味着它们在整个印刷金属零件上的各个方向均等地形成。

RMIT 大学表示,测试表明,与常规增材制造的零件相比,这些零件的拉伸强度和屈服应力提高了 12%。该团队展示了他们的使用超声波方法,该方法使用了通常用于飞机部件和生物机械植入物的钛合金 Ti-6Al-4V 材料,以及用于海洋和石油工业的镍基高温合金 Inconel 625 材料。

通过在打印过程中打开和关闭超声波发生器,该团队还展示了如何用不同的微观结构和成分来制作 3D 打印对象的特定部分,并认为这对功能分级很有用。

研究人员表示,该方法不仅适用于钛合金和镍基高温合金,还适用于其他商业金属,如不锈钢、铝合金和钴合金。预计这项技术可以扩大规模,以实现大多数与工业相关的金属合金的 3D 打印,以用于更高性能的结构零件或结构渐变合金。

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西安交大《AM》突破传统观念!3D打印单晶高温合金重要进展

镍基高温合金单晶涡轮叶片的修复是一个长期存在的难题。电子束增材制造有望实现这一目标,但有一个强大的障碍:残余应力和γ/γ’微观结构在单一晶体融合区经过电子束融化后是不可接受的(例如,容易开裂);或者,经过溶解热处理后,发生再结晶,带来新的晶粒,降低高温蠕变特性。

近日,来自西安交通大学、美国麻省理工学院以及美国约翰霍普金斯大学一项研究,通过设计一种后3D打印回复制度消除了再结晶的驱动力,即在固溶和时效之前增加回复(Recovery)步骤,可以消除再结晶驱动力。相关论文以题为“Rafting‐Enabled Recovery Avoids Recrystallization in 3D‐Printing‐Repaired Single‐Crystal Super alloys”于2月20日发表在Advanced Materials上。

论文连接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201907164

西安交大《AM》突破传统观念!3D打印单晶高温合金重要进展

现代涡轮叶片主要由高温合金单晶制得,通过在γ相矩阵中使得γ’相得到有序的立方形析出相来强化。单晶镍基高温合金在抗蠕变、疲劳和氧化等许多方面都比多晶合金有很大的优势。尽管如此,这些高价值的单晶叶片在恶劣的环境下仍然会受到表面损伤和开裂。因此,希望找到一种方法来修复受损的关键表面,同时保持其单结晶性质以及所需的统一γ/γ’微观结构。

近年来出现的多功能3D打印技术是实现这一目标的有力途径。但3D打印技术还不成熟,以下缺陷需要克服:高温期间不稳定,会出现其他有害的Laves相颗粒;打印过程中在高热应力下会出现局部的变形,在热影响区(HAZ)产生高密度的位错;在经过高温固溶处理后,会出现再结晶(RX),使得微观结构多晶化,从而降低叶片的高温蠕变性能。因此,迫切需要设计一种创新的修复方法,保留3D打印技术本身的优点之外同时克服以上的缺点。

为此,研究者们的策略是设计后3D打印退火,以减少破坏单晶结构的再结晶驱动力。标准溶液热处理(HT)之前,所有的γ′消失,在HAZ中积累的位错(以及相关的多余能量)可以通过筏化-回复(rafting-facilitated recovery)来消除。这样固溶前进行回复热处理的方案,使得立方形的γ’析出相变得不稳定并且连接在一起,在热影响区形成平面筏化析出相。这大大降低了位错密度,因此在后续的固溶和时效热处理中,按照通常使用的标准方案,RX不会被触发成新晶粒核。

以第一代单晶镍基高温合金AM3为模型,采用无原料电子束熔炼技术对其进行了模拟3D打印修复。电子束熔化后,通过亚溶剂化退火的预溶回收是通过漂流(即悬浮)来实现的。定向粗化γ′粒子促进位错重排和消失。在后续的溶液处理中,筏化微观结构将会被去除,留下一个没有损害和残余应力的单晶,与余下的涡轮叶片统一的γ′析出相毫无区别。

西安交大《AM》突破传统观念!3D打印单晶高温合金重要进展

图1 由标准溶液HT诱导的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。

西安交大《AM》突破传统观念!3D打印单晶高温合金重要进展

图2 EBM样本在不同的热处理工艺前后

西安交大《AM》突破传统观念!3D打印单晶高温合金重要进展

图3 在EBM样本中的不均匀分布的γ′形态、弹性应变和混乱情况

西安交大《AM》突破传统观念!3D打印单晶高温合金重要进展

图 4 先回复退火的新方案热处理后,样本均匀分布的γ′形态、弹性应变、混乱情况

西安交大《AM》突破传统观念!3D打印单晶高温合金重要进展

图 5 1100°C回复退火后γ′形态学、弹性应变和混乱情况

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的方法,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。

来源:材料科学与工程公众号,作者:水生。

材料顶刊《AM》突破传统观念!3D打印单晶高温合金重要进展

论文摘要:

一直以来,修复损伤的单晶高温合金都是摆在我们面前的一大难题。而采用电子束3D打印则有望解决这一难题,尽管在修复单晶时面临着令人望而生畏的巨大挑战。这一挑战主要来自于:要么是残余应力的存在、电子束熔化时不可避免的在单晶熔化时所形成的γ/γ′显微结构。这一结构的存在易于导致裂纹的生成。要么就是在固溶热处理之后发生重结晶,这将导致新生成的晶粒在高温蠕变时发生失效。于是,一种后期3D打印回复的策略应运而生,用来消除再结晶的驱动力。换言之,储存的能量和较高的残余位错·密度在标准固溶处理和时效之前发生。电子束后热处理在次固溶线退火之前进行预先固溶回复处理。由此使得筏化(定向粗化)γ′粒子成为可能。这将促进位错的重排和消散。筏化的结构在随后的固溶处理中会消失。留下没有缺陷和吴残余应力并且均匀析出的γ′单晶,这时的组织同单晶叶片其他区域的组织一模一样,毫无区别。这一回复为实际生产中保证3D打印时确保单晶叶片由于残余应力形成裂纹的倾向得到了避免。残余应力也得到了释放。而且回复形成多晶的倾向也得到了抑制和避免。这位修复、重塑和恢复单晶产品指明了一个新的方向和道路。该论文采用衍射技术、透射电镜(TEM)技术对研究结果进行了分析表征。这一研究结果有西安交通大学材料学院单智伟研究团队、美国麻省理工学院李巨教授以及美国约翰霍普金斯大学马恩教授一项研究三方共同合作研究的。该论文的第一作者为西安交通大学材料学院陈凯教授。西安交大材料学院研究生黄润秋、林思聪、朱文欣,长安大学李尧博士,美国劳伦斯伯克利国家实验室Nobumichi Tamura博士等参与研究。研究工作得到国家自然科学基金与国家重点研发计划的支持。

航空发动机的叶片由成本昂贵的单晶镍基高温合金制成,是目前合金叶片中价格最为昂贵同时也是服役性能最好的合金。由于服役环境苛刻,承受高温、高速和高应力等三高的作用,即使是服役性能最好的单晶叶片也同样会受到局部损伤。单晶叶片价格昂贵,其损失区域一般较小,而且没有到服役周期,如果能够进行修复,则经济意义和战略价值不同一般。因此,发展高可靠性的飞机发动机叶片的无损修复技术对航空发动机的延寿、降成本至关重要。近年来风靡全球的3D打印技术,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。同时而已再次将人们的目光投向单晶叶片的3D打印上。但由于3D打印技术具有加热速度和冷却速度快的特点,容易造成高残余应力、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,导致材料的高温力学性能(发动机叶片长期处于高温蠕变状态)下降,造成极大的安全隐患。因此急需针对3D打印单晶高温合金目前存在的问题,研发一种新的且行之有效的工艺,使之满足:无再结晶,无残余应力、位错密度低,且沉淀强化相的形貌、密度与基体高温合金一致。

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合金叶片的三大类型

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。经过系统的文献调研与综合分析,作者们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,先是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,且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)。此发现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。

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图1 3D打印镍基单晶合金后经过标准固溶处理后得到的组织演变图,同我们筏化回复退火的结果进行对比

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图2 电子束(EBM)处理前后的对比结果

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图3 在EBM处理后的样品中不均匀分布的γ′组织形态、弹性应变和完全热处理后的位错

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图 4 先回复再退火的新方案热处理后,样品中均匀分布的γ′组织形貌、弹性应变、完全热处理前后位错

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图 5 1100°C回复退火后γ′组织形貌、弹性应变和位错

该研究以《利用“筏化-回复”效应抑制3D打印修复单晶高温合金的再结晶》(“Rafting-Enabled Recovery Avoids Recrystallization in 3D-Printing Repaired Single-Crystal Superalloys”)为题在材料学科权威期刊Advanced Materials上发表(doi: 10.1002/adma.201907164)。 于2月20日发表在Advanced Materials上。研究工作得到国家自然科学基金与国家重点研发计划的支持。

论文全文文献信息如下:

材料顶刊《AM》突破传统观念!3D打印单晶高温合金重要进展

论文来源:Advanced Materials ( IF 25.809 ) Pub Date : 2020-02-20 , DOI: 10.1002/adma.201907164

Kai Chen; Runqiu Huang; Yao Li; Sicong Lin; Wenxin Zhu; Nobumichi Tamura; Ju Li; Zhi‐Wei Shan; Evan Ma

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