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具有超高周疲劳耐久性的单晶镍基高温合金增材制造

具有超高周疲劳耐久性的单晶镍基高温合金增材制造

供稿人:汪靖、王富 供稿单位:西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室  发布日期:2022-06-13
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单晶镍基高温合金(SX)在处于90%的材料熔点温度时,仍具有优异的力学性能,因而被广泛应用于航空发动机的热端部件,如发动机叶片。在高温状态下进行运转,这些部件会遭受各种损伤,包括蠕变、腐蚀和氧化,损坏部件的更换会增大材料和时间成本。增材制造技术的使用,既可以满足涡轮叶片的复杂的几何设计,也可以确保翻新的可能性。电子束粉末床熔融(EB-PBF)技术是目前工业上应用最广泛的方法之一。

法国普瓦捷研究所的Luciana等人为了研究采用EB-PBF技术制造的单晶镍基高温合金的耐疲劳性,以Bridgman定向凝固方法制作的CMSX-4合金试样和ERBO/1合金试样、采用EB-PBF打印CMSX-4合金粉末而制作的试样为研究对象,研究不同工艺下的高温合金的耐疲劳性,在完全反转条件R_ε=-1、f=20kHz和1000℃的条件下进行了超高周疲劳(VHCF)的相关实验,制造完成后EB-PBF试样的组织以及其他试样微观组织如图1所示。

图1.(a)EB-PBF SX 12 mm方形棒材微观结构详图,定向凝固的CMSX-4的γ/γ'微观结构在(b)一次枝晶臂和(c)枝晶间距中被观察到,定向凝固的ERBO/1合金的(d)一次枝晶臂和(e)枝晶间距,EB-PBF制备的CMSX-4合金经(f)标准热处理以及(g) HIP热处理。

通过研究,可以得到疲劳实验的结果如图2所示,常规的Bridgman法制作的试样均未能完成VHCF,因为常规制造过程中容易产生气孔等缺陷,这些缺陷易引发整体的断裂,EB-PBF制备的试样在1000℃的VHCF下表现非常好,前提是它们没有图3所示的缺陷,即它们是单晶。与无缺陷试样相比,大角度晶界/杂晶的存在会导致超高周疲劳寿命的显著降低(超过30年),当试样中不存在缺陷时,EB-PBF加工试样的超高周疲劳寿命与Bridgman定向凝固的镍基高温合金的寿命相当或者略高。

图2. 交变应力(σ_a)作为失效循环次数(Nf)函数的实验结果图
图3.两个带有表面裂纹的EB-PBF处理样品示例,红色和黄色箭头分别表示垂直和平行于加载轴的裂纹。

通过对EB-PBF技术制造的单晶镍基高温合金的高周疲劳性进行研究,验证了EB-PBF试样优秀的疲劳耐久性能,使增材制造高温合金零部件的批量化工业应用成为可能。

参考文献:

  1. Luciana Maria Bortoluci Ormastroni, Inmaculada Lopez-Galilea, Julian Pistor, Benjamin Ruttert, Carolin Körner, Werner Theisen, Patrick Villechaise, Fernando Pedraza, Jonathan Cormier. Very high cycle fatigue durability of an additively manufactured single-crystal Ni-based superalloy [J]. Additive Manufacturing,2022,54: