2024年10月7日，南極熊獲悉，根據(jù)美國(guó)能源部的最新研究萄蕾，科學(xué)家們成功應(yīng)用中子成像技術(shù)，深入研究通過(guò)激光3D打印制造的新型超級(jí)合金的應(yīng)力效應(yīng)概尝。這些高強(qiáng)度、高耐熱的金屬材料對(duì)于發(fā)電領(lǐng)域中使用的先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)等極端應(yīng)用至關(guān)重要蟆盐。
研究背景傳統(tǒng)上承边，渦輪部件如熱氣通道在不同位置需要滿(mǎn)足不同的材料性能要求。為此石挂，一種常見(jiàn)策略是將低成本的炒刁、低強(qiáng)化析出相含量的鎳基高溫合金與具有中/高強(qiáng)化析出相含量的高溫合金進(jìn)行焊接。通過(guò)這種方式誊稚，既能滿(mǎn)足高溫區(qū)域的使用需求翔始，又能在其他區(qū)域降低成本。然而里伯，這種熔焊工藝通常會(huì)在材料界面處產(chǎn)生殘余應(yīng)力城瞎，可能導(dǎo)致機(jī)械性能下降。此外疾瓮，具有中/高強(qiáng)化析出相含量的高溫合金在焊接過(guò)程中表現(xiàn)出較差的焊接性脖镀，容易發(fā)生應(yīng)變時(shí)效開(kāi)裂問(wèn)題。增材制造狼电，尤其是定向能量沉積（DED）技術(shù)蜒灰，提供了制造復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)和梯度材料的新途徑。與傳統(tǒng)的焊接方法相比哥钉，該技術(shù)可以更好地控制不同材料之間的成分過(guò)渡蜗原，從而減小殘余應(yīng)力的影響并改善機(jī)械性能。通過(guò)從多個(gè)料斗中控制粉末混合峦铲，DED技術(shù)能夠在高溫合金之間實(shí)現(xiàn)成分梯度變化嗤锯，優(yōu)化過(guò)渡層的數(shù)量、成分和厚度筑轻。△成品和熱處理后的IN718/R41級(jí)單道薄壁樣品钉栈，激光行進(jìn)方向可通過(guò)樣品表面與構(gòu)建板平行的輪廓線(xiàn)觀(guān)察到
此次研究是由通用電氣、愛(ài)迪生焊接研究所和橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）的合作團(tuán)隊(duì)共同開(kāi)展的，團(tuán)隊(duì)成功利用3D打印技術(shù)制造出Inconel 718和René 41合金滥庭，并且在制造過(guò)程中未發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象扑诈。該工藝采用激光逐層熔合金屬粉末形成所需形狀，但可能會(huì)在內(nèi)部引入影響材料性能的應(yīng)力胞讯。為了準(zhǔn)確評(píng)估這些應(yīng)力很刃，研究人員在ORNL的散裂中子源（SNS）和高通量同位素反應(yīng)堆（HFIR）進(jìn)行了中子成像實(shí)驗(yàn)。這兩個(gè)設(shè)施均為美國(guó)能源部科學(xué)辦公室的用戶(hù)設(shè)施喧久，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)——中子能夠有效穿透致密金屬追城，為內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供詳細(xì)的洞察刹碾。△(A)中子衍射實(shí)驗(yàn)裝置燥撞；(B)安裝在樣品架上的三個(gè)成品樣品 1A、2A和3A以及三個(gè)熱處理半件 1B迷帜、2B和3B的近景圖
高溫合金殘余應(yīng)力研究揭示制造參數(shù)影響與優(yōu)化研究結(jié)果顯示物舒，高溫合金中的殘余應(yīng)力主要受制造參數(shù)（如激光停留時(shí)間和能量水平）的影響，遠(yuǎn)大于金屬化學(xué)成分的影響戏锹。同時(shí)冠胯，研究表明，熱處理可以有效降低這些殘余應(yīng)力锦针，從而提升材料的整體性能荠察。△對(duì)于成品樣品，沿構(gòu)建方向（從每個(gè)地圖的構(gòu)建板側(cè)的距離）計(jì)算了平均的KAM值
該團(tuán)隊(duì)利用SNS的VULCAN衍射儀和HFIR的MARS成像儀奈搜，測(cè)量了殘余晶格應(yīng)變的分布悉盆，觀(guān)察了材料在不同加工階段的應(yīng)力和成分變化。這些重要發(fā)現(xiàn)為行業(yè)利用3D打印技術(shù)開(kāi)發(fā)更優(yōu)質(zhì)的組件提供了新視角馋吗，尤其是針對(duì)極端環(huán)境的應(yīng)用焕盟。此次研究不僅加深了對(duì)3D打印高溫合金應(yīng)力效應(yīng)的理解，也建立了一種更有效的評(píng)估金屬應(yīng)力水平的方法福咙。研究成果對(duì)降低制造成本和提高在高應(yīng)力铣飘、高溫條件下承受性能的部件具有重大意義。本研究得到了美國(guó)能源部（DOE）能源效率和可再生能源辦公室及先進(jìn)制造辦公室的支持秋孕。相關(guān)工作充分利用了散裂中子源和高通量同位素反應(yīng)堆的資源卤酬，這兩個(gè)設(shè)施均由橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室運(yùn)營(yíng)。
