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頂刊《AM》:通過激光鋪粉3D打印制備CoCrMo-Inconel718梯度材料
2021/3/2
作者 | 溫耀杰、張百成、趙浩等
來源 | Additive Manufacturing



研究背景與簡介
連續梯度合金(CGA)的制備是目前高性能零件制造、高通量材料開發研究的焦點。由于傳統的直接金屬沉積(DED)、粉末冶金(PM)等梯度材料制備工藝在制造精度、成分梯度控制等方面仍存在技術瓶頸,導致該領域的研究與應用受到限制。因此,開發新型連續梯度合金制備工藝并制備高性能連續梯度合金具有重要意義也充滿挑戰。
近日,北京科技大學曲選輝教授團隊張百成副教授等研究人員在增材制造領域頂級期刊Additive Manufacturing在線發表了題為“Laser powder bed fusion of compositionally graded CoCrMo-Inconel 718”的研究論文。北京科技大學碩士畢業生溫耀杰為該工作的第一作者,文章作者還包括北京隆源自動成型系統有限公司的趙浩博士與印度、新加坡、香港等國家地區學者。


論文鏈接:
https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.101926
 


研究內容
該工作利用北京科技大學與北京隆源自動成型系統有限公司聯合研發的梯度合金打印設備,成功制備了高質量的CoCrMo/Inconel 718連續成分梯度合金。通過高通量表征手段發現,在CoCrMo端主要由γ-fcc相柱狀亞晶和少量片層裝ε-hcp相組成,隨Inconel含量增多,顯微組織結構則主要由γ-fcc相柱狀亞晶組成,以及少量Laves相沉淀在亞晶界。柱狀晶具有沿BD方向的<001>晶粒凝固纖維織構,CGA的成分、組織和織構的均勻性也保證了沿梯度方向拉伸性能和硬度符合預期變化。在成分上的平滑梯度,無不良的金屬間化合物相和非平衡相,再加上均勻的晶粒尺寸,確保了力學性能的連續變化,可滿足承載應用的工程部件的關鍵需求。從更廣泛的角度來看,相比于自底向上的梯度材料打印方法,該研究提供了一種全新思路,并表現出了良好的性能及優勢,作為一種新型的異種合金直接制造工藝,具有巨大的工業應用潛力。


 
圖1: (A)本研究開發的CGA-LPBF制造系統示意圖及(B)二維截面,(C) 化學成分沿梯度方向的分布,(D) 使用黑/白兩種顏色的砂子模擬梯度粉層鋪放,(E) 制備的CoCrMo/Inconel 718 CGAs 樣品,(F)沿梯度方向相對密度的變化




 
圖2 (A-a)沿梯度方向微觀結構的變化,(A-b)沿梯度方向的亞晶粒尺寸分布;(B-a)位置A的TEM明場像以及基體的衍射花樣,(B-b) 位置B的TEM明場像以及基體的衍射花樣;(C)沿梯度方向不同Ni含量的XRD衍射圖譜; (D-a) 沿梯度方向不同不同位置的IPF maps,以及相應的(D-b)極圖


 
圖3 沿梯度方向測量,不同Ni含量下的(A)應力應變曲線,(B)拉伸性能,(C)結構熵,(D)硬度變化。




致謝:該研究得到了國家自然科學基金(No.: 51901020),山東省重點研發計劃項目(No.: 2019JZZY010327),航空科學基金(201942074001),中央高?;究蒲袠I務費(FRF-IP-20-05)的支持。




 
圖:隆源成型選區激光熔化設備AFS-M120X
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