材料的強韌化是材料發(fā)展中非常重要的內(nèi)容，以高溫合金為例，高溫合金是航空發(fā)動機中各種高溫部件的關鍵材料，高溫合金的綜合性能和內(nèi)部組織密切相關，用于航空發(fā)動機的低壓渦輪葉片、渦輪轉(zhuǎn)子等(其工作溫度在760℃以下)，所以高溫合金的研究領域逐漸走向了通過特殊材料增強合金的各項耐高溫性能的方向。

    之前介紹過國內(nèi)在納米陶瓷增強合金方面的技術進展情況，那么除了通過納米陶瓷增強的方法，還有什么其他方法呢？本期我們一起來看航星利華在高能束金屬3D打印制備稀土強化等軸細晶零件方面的研究。

小稀土大作用

     由于承受氣動和離心力的作用，葉身中的拉應力和彎曲應力都比較大，這就要求葉片材料有足夠的高溫抗變形能力和好的低周疲勞壽命。因此，對于在中溫以下使用的高溫合金鑄件，其組織特征要求：鑄件截面應為盡可能細小的等軸晶，避免晶界上連續(xù)析出碳化物，盡可能少的微觀縮孔和盡可能低的偏析。均勻的細晶組織可以提高材料的綜合機械性能，增加抗疲勞能力，延長壽命。

     在傳統(tǒng)的精密鑄造工藝中，澆注過程易產(chǎn)生表面晶粒粗大、砂眼、縮松等缺陷，而晶粒過大，超出標準要求的柱狀晶會使葉片表層的抗疲勞性能降低。航星利華在高能束金屬3D打印制備稀土強化等軸細晶零件的制備中采用的是電子束選擇性熔化技術，熱源為電子束，功率為3500～4000 瓦，掃描速度8km/s，單層厚度50～200μm。對于熱源激光器，激光器的功率為200～400W， 掃描速度5～12m/s，單層厚度20-80μm，光斑直徑50～200μm。

     除了對加工工藝的控制很重要，對材料的了解也很重要。稀土及其氧化物是一種非常常見的細化劑，國際國內(nèi)進行了很多嘗試。多數(shù)人的研究是激光表面改性，由于稀土元素的加入，明顯地改善了零件的顯微組織，耐磨性提高了1-4倍，硬度增加，耐腐蝕性能提高。但是由于對其機理的研究不是太透徹，還沒有普及并應用到實際工業(yè)領域。而且輕重稀土元素有17種之多，加上碳化物、氧化物、氮化物和金屬間化合物，為涂層的改性，零件組織的細化提供了廣闊的應用前景。還有的研究表明，在熔覆材料中加入了稀土元素后，熔覆層的顯微組織得到了一定程度的細化，柱狀晶的產(chǎn)生范圍有所減小，熔覆層的顯微硬度相應的提高，熔覆層的耐磨性比未加稀土的提高將近1倍，說明稀土元素在激光熔覆過程中進入熔覆層并對熔覆層的結(jié)晶過程產(chǎn)生影響，使熔覆層的強韌性同時得到提高。

     目前工業(yè)領域的其他常用金屬材料如A1基、鈦基、鐵基和鎂基材料是稀土添加劑研究最多的材料類型。外加的合金元素對合金的強化作用主要表現(xiàn)在固溶強化、時效強化、過剩強化和細晶組織強化。 航星利華采用的鎳基高溫合金為Incone1718，在不同的場景下，稀土添加劑分別稀土元素為Y，添加量為0.5％；稀土添加劑為La2O3，添加量為0.4％；通過控制工藝條件，分別添加稀土元素、稀土化合物和稀土元素以形成稀土金屬間化合物，對組織進行細化和對性能進行強化，克服市場上存在的不能完全獲得等軸晶零件和內(nèi)部組織不均勻的不足。與傳統(tǒng)技術相互補充，從而能制造出優(yōu)質(zhì)的等軸晶渦輪葉片和渦輪轉(zhuǎn)子。

      中國3D打印網(wǎng)點評：在增材制造技術為新材料的研發(fā)提供了一個廣闊的平臺，材料與工藝高度結(jié)合起來，使得梯度合金、增強合金這些以往傳統(tǒng)方法很難一次性加工實現(xiàn)的材料走向新領域的研發(fā)臺階。這些將在工業(yè)領域打開非常廣闊的應用前景。

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