顶刊《AM》:通过激光铺粉3D打印制备CoCrMo-Inconel718梯度材料

2021/3/2

作者 | 温耀杰、张百成、赵浩等
来源 | Additive Manufacturing



研究背景与简介
连续梯度合金(CGA)的制备是目前高性能零件制造、高通量材料开发研究的焦点。由于传统的直接金属沉积(DED)、粉末冶金(PM)等梯度材料制备工艺在制造精度、成分梯度控制等方面仍存在技术瓶颈,导致该领域的研究与应用受到限制。因此,开发新型连续梯度合金制备工艺并制备高性能连续梯度合金具有重要意义也充满挑战。
近日,北京科技大学曲选辉教授团队张百成副教授等研究人员在增材制造领域顶级期刊Additive Manufacturing在线发表了题为“Laser powder bed fusion of compositionally graded CoCrMo-Inconel 718”的研究论文。北京科技大学硕士毕业生温耀杰为该工作的第一作者,文章作者还包括北京隆源自动成型系统有限公司的赵浩博士与印度、新加坡、香港等国家地区学者。


论文链接:
https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.101926
 


研究内容
该工作利用北京科技大学与北京隆源自动成型系统有限公司联合研发的梯度合金打印设备,成功制备了高质量的CoCrMo/Inconel 718连续成分梯度合金。通过高通量表征手段发现,在CoCrMo端主要由γ-fcc相柱状亚晶和少量片层装ε-hcp相组成,随Inconel含量增多,显微组织结构则主要由γ-fcc相柱状亚晶组成,以及少量Laves相沉淀在亚晶界。柱状晶具有沿BD方向的<001>晶粒凝固纤维织构,CGA的成分、组织和织构的均匀性也保证了沿梯度方向拉伸性能和硬度符合预期变化。在成分上的平滑梯度,无不良的金属间化合物相和非平衡相,再加上均匀的晶粒尺寸,确保了力学性能的连续变化,可满足承载应用的工程部件的关键需求。从更广泛的角度来看,相比于自底向上的梯度材料打印方法,该研究提供了一种全新思路,并表现出了良好的性能及优势,作为一种新型的异种合金直接制造工艺,具有巨大的工业应用潜力。


 
图1: (A)本研究开发的CGA-LPBF制造系统示意图及(B)二维截面,(C) 化学成分沿梯度方向的分布,(D) 使用黑/白两种颜色的砂子模拟梯度粉层铺放,(E) 制备的CoCrMo/Inconel 718 CGAs 样品,(F)沿梯度方向相对密度的变化




 
图2 (A-a)沿梯度方向微观结构的变化,(A-b)沿梯度方向的亚晶粒尺寸分布;(B-a)位置A的TEM明场像以及基体的衍射花样,(B-b) 位置B的TEM明场像以及基体的衍射花样;(C)沿梯度方向不同Ni含量的XRD衍射图谱; (D-a) 沿梯度方向不同不同位置的IPF maps,以及相应的(D-b)极图


 
图3 沿梯度方向测量,不同Ni含量下的(A)应力应变曲线,(B)拉伸性能,(C)结构熵,(D)硬度变化。




致谢:该研究得到了国家自然科学基金(No.: 51901020),山东省重点研发计划项目(No.: 2019JZZY010327),航空科学基金(201942074001),中央高校基本科研业务费(FRF-IP-20-05)的支持。




 
图:隆源成型选区激光熔化设备AFS-M120X

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