中南大学李瑞迪丨激光3D打印GH3536高温合金组织、性能及旋流器零件成形

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近期，中南大学李瑞迪教授团队通过LPBF制备了高性能GH3536镍基高温合金（抗拉强度837MPa，延伸率29%），探究了扫描策略对材料显微组织与力学性能的影响，并对零件进行了成形工艺仿真。实现了材料研究和制造工艺的联动，成为增材制造应用于航空航天领域中一次成功的产学研融合。

文章题目：Laser powder bed fusion of GH3536 superalloy: Microstructure, mechanical properties and hydrocyclone manufacturing

文章摘要

为了发挥增材制造在航空航天领域中的显著优势，制造出高性能航空零件，本工作研究了扫描策略对GH3536镍基高温合金的显微组织和力学性能的影响。结果显示，在四种扫描策略（0°、67°、90°和Z67°）中，Z67°（67°旋转角分区扫描策略）试样的强度最高，其屈服强度和抗拉强度分别为681MPa和837MPa。随着拉伸过程的不断进行，试样的塑性变形机制从滑移主导逐渐转变为孪生。在试样变形量达到80%的区域，观察到大量孪晶。使用增材制造仿真套件Ansys Additive模拟了零件在增材制造过程中的应力水平和位移变形，位移变形结果与实验现象一致。根据仿真结果，对零件进行了结构优化设计，提高了零件的成型质量。结果表明，当悬垂角为45°时，零件所需的支撑结构更加合理。最后，通过增材制造成功制备结构复杂的了高性能旋流器。

研究背景

镍基高温合金因其优异的高温力学性能和结构稳定性被广泛地应用于航空航天领域。GH3536是一种固溶强化型的镍基高温合金，能够在900℃以下长期使用，因此被广泛用于制备航空发动机的热端部件。为了响应航空工业轻质高强的严苛要求，通过激光增材制造技术来制备GH3536镍基高温合金成为了研究热点。

本研究探讨了激光扫描策略对GH3536镍基高温合金显微组织和力学性能的影响，并且对零件成型后的位移变形和应力水平进行了工艺仿真，为增材制造航空高性能零件提供了技术指导。

创新点

1）直接打印态的Z67°试样拉伸强度高达837MPa，屈服强度也达到681MPa，伸长率为29%，材料性能完全满足旋流器使用标准。

图1.（a）室温拉伸工程应力-应变曲线；（b）不同扫描策略下成型试样的力学性能柱状图;（c）Z67°试样的局部变形量；（d-g）局部变形量分别为80%、40%、20%和5%的SEM图像

2）观察到激光增材制造的GH3536镍基高温合金在拉伸试验后不同变形量对应的显微组织演化。

采用视频引伸计对材料拉伸过程进行了实时跟踪，根据试样应变云图选取了局部变形量为5%、20%、40%和80%的区域进行EBSD表征，结果当局部变形量达到40%时，孪晶开始形核并不断长大；当局部变形量达到80%时，晶粒内部出现了较多孪晶。结合KAM分析，随着变形量的增加，残余应力不断累积，当达到孪晶形核所需的切应力时，孪晶的生成消耗了晶粒内部的残余应力。

图2. Z67试样不同变形的EBSD分析：(a1-d1)80%、40%、20%和5%不同变形对应的IPF（蓝色线条为<111>60°Σ3孪晶界）；(a2-d2)(0 0 1)、(1 0 1)和(1 1 1)的PF；(a3-d3)对应的KAM；(a4-d4)KAM分布及平均值

3）ANSYS Additive被用于工艺仿真，模拟了零件成型后的应力水平和位移变形，并根据仿真结果进行了零件的结构优化。

研究了摆放角度与支撑对旋流器成形的影响，结果表明当摆放角度为45°时，能充分利用45°悬垂角使得内流道无需支撑直接成形，与0°摆放角度相比，保证了内流道的功能性。

图3. 位移变形：(a1)0°无支撑；(a2)0°有支撑；(a3)45°无支撑；(a4)45°有支撑应力分布：(b1)0°无支撑；(b2)0°有支撑；(b3)45°无支撑；(b4)45°有支撑

启示

（1）通过改变扫描工艺策略探究其对成形态试样性能和组织的影响，明确试样力学性能和显微组织随扫描策略改变的变化规律，确定最佳工艺策略，最后成形高致密度、少缺陷的高性能零件。

（2）从高性能试样出发，在拉伸试验的基础上，通过总结晶体在不断被拉伸的过程中显微组织的变化规律，探究 GH3536 镍基高温合金材料的变形机制。

（3）利用有限元求解分析零件在成形过程中的应力水平和变形位移情况，探究零件摆放角度与支撑对零件成形性能的影响，根据求解结果对模型和支撑进行结构优化设计，降低零件在成形过程中产生的缺陷以及提高零件打印成功率，为复杂零件的增材制造过程奠定基础。

近年团队发表文章：

[1] LI R, WANG M, LI Z, et al. Developing a high-strength Al-Mg-Si-Sc-Zr alloy for selective laser melting: Crack-inhibiting and multiple strengthening mechanisms [J]. Acta Mater 2020, 193: 83-98.

[2] Fan Z, Yin Y, Tan Q, Li X, Niu P, Li R, Yuan T, Zhang M-X, Huang H. Unveiling solidification mode transition and crystallographic characteristics in laser 3D-printed Al2O3-ZrO2 eutectic ceramics. Scripta Mater 2022; 210:114433.

[3] Wang M, Li R, Yuan T, Kang J, Niu P, Zheng D, Fan Z. The evolution of quasicrystal during additive manufacturing and aging treatment of a Si-modified Al–Mn-Sc alloy. Materials Science and Engineering: A 2022; 859:144206.

[4] Xu R, Li R, Yuan T, Zhu H, Wang M, Li J, Zhang W, Cao P. Laser powder bed fusion of Al–Mg–Zr alloy: Microstructure, mechanical properties and dynamic precipitation. Materials Science and Engineering: A 2022; 859:144181.

[5] Wang Y, Li R, Yuan T, Zou L, Wang M, Yang H. Microstructure and mechanical properties of Al-Fe-Sc-Zr alloy additively manufactured by selective laser melting. Mater Charact 2021; 180:111397.

文章信息

Chengzhe Yu, Nan Chen, Ruidi Li, Tiechui Yuan, Shisen Huang, Xin Ma, Yi Zhang, Min Huang, Liang Lv, Ruoyu Liu, Yuanyuan Jiang, Xingyan Liu, Duan Lai. Laser powder bed fusion of GH3536 superalloy: Microstructure, mechanical properties and hydrocyclone manufacturing. Adv. Powder Mater. 2（2023）100134.

https://doi.org/10.1016/j.apmate.2023.100134

来源：增材制造硕博联盟

Additive 航空航天增材材料试验 ANSYS

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首次发布时间：2023-06-13