激光增材制造镍基高温合金应力演化及变形开裂研究

Laser additive manufacturing,with the advantages of short period,free-die,fine crystal grains,perfect mechanics properties and less machining, is a direct net forming technology for high-performance large complicated metallic components by digital model. Main problems of laser additive manufacturing technology for metallic materials include evolution of the microstructure during rapidly heating and cooling, thermal stress, phase transition stress and distortion & cracking of the metallic components resulting from stress concentration, which limit the develpoment and application of the technology more effectively.In the program, solid phase transition behavior and forming mechanisms of the microstructure under high temperature and stress gradient in the Ni-based superalloy prepared by the laser additive manufacturing technology will be explored, and forming rule and coupling behavior of thermal stress, phase transition stress and solidfication shrinking stress will also studied,furthermore,the effect of the concentrated stress on distortion & cracking of the components will be analyzed,in addition,the relationship of the microstructure/the stress/the distortion & cracking of the components and laser manufacturing paramaters/component structure can be explored,thus, the research results will be used to optimize laser manufacturing paramaters, and to control phase transition process and evolution of the stress in advance.

激光增材制造技术直接从零件数字模型一步完成全致密、高性能大型复杂金属结构件的直接近净成形制造，具有制造流程短、无需模具、零件材料晶粒细小、综合力学性能优异、后续机械加工少等优点。金属材料激光增材制造过程中所面临的主要问题包括多次剧烈加热和急速冷却条件中显微组织演变、热应力、相变组织应力、应力集中及其作用下的零件变形开裂等，这些是解决制约激光增材制造技术发展和应用“瓶颈难题”的基础。本项目拟研究激光增材制造镍基高温合金在高温度梯度与高应力梯度耦合作用下非稳态循环固态相变行为及显微组织的形成规律；研究镍基高温合金热应力、相变组织应力、凝固收缩应力的形成规律及耦合交互作用机制；重点研究应力集中演化规律及其作用下零件变形开裂行为以及控制方法；揭示显微组织、应力、零件变形开裂与激光增材制造工艺条件和零件结构的关联关系，进一步优化激光制造工艺参数并实现金属构件固态相变过程和应力演变的主动控制。

作为新一代智能制造技术，激光增材制造技术直接从零件数字模型一步完成全致密、高性能复杂金属结构件的直接近净成形制造，制造流程短、无需模具、定制化生产、零件材料晶粒细小、综合力学性能优异，且后续机械加工少。但金属材料激光增材制造过程中面临的主要问题包括组织不稳定，残余应力较大且分布不均匀以及由此而引起的零件变形、开裂等缺陷，这些是制约激光增材制造技术广泛推广和应用的关键问题。.本项目利用EOS M280、BLT-S320激光增材制造设备制备了Inconel 718镍基高温合金，制造出了组织致密、表面光洁的空心涡轮叶片并优化了制造工艺参数。研究了合金材料的固态相变行为及显微组织演变规律；重点研究了激光增材制造镍基高温合金固态相变、晶粒形貌、晶体取向及应力分布特征。晶粒主要包括柱状晶和胞状晶，柱状晶晶粒间取向差小，晶粒内存在胞状晶，胞状晶晶界主要是位错等亚结构。沉积态合金中主要含有γ相和MX型(Nb, Ti)(C,N)化合物相；在热处理状态下，合金中主要含有γ相和δ相(Ni3Nb)。原位电子显微学研究显示，高温时合金中存在调制结构；研究了应力演变规律及空心叶片的变形开裂行为，利用X射线衍射仪、纳米压痕仪、电子背散射衍射技术实验测量了空心叶片的残余应力，并利用ANSYS、Autodesk Netfabb Local Simulation等软件对空心叶片的温度场和应力场进行了模拟计算，与实验结果进行了对比。材料中残余应力分布很不均匀，从几十兆帕到到一百多兆帕；几种实验测试结果和模拟计算结果基本一致。热处理过程中，残余应力分布较均匀，残余应力的释放产生了退火孪晶。δ相附件的残余应力较大，易产生裂纹。揭示了显微组织、应力、零件变形开裂与激光增材制造工艺条件和零件结构的关联关系。实现了金属构件固态相变过程和应力演变的主动控制，研究结果对于制备高性能金属材料提供理论及实验技术基础。