基于熱力學計算的增材制造合金及工藝設計

供稿人：李鳴杰 王富 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

金屬增材制造技術具有復雜幾何形狀零件制備的獨特優(yōu)勢，但是往往會因快速凝固的工藝特性而發(fā)生溶質(zhì)截留現(xiàn)象，即金屬原子無法及時從枝晶移動擴散至液相，致使固液界面的溶質(zhì)濃度梯度分布。這種局部不均勻成分會最終影響成型材料的組織和性能，而很少有研究是基于熱力學和動力學對合金元素分配進行控制與設計。因此亟需一種考慮增材制造非平衡溶質(zhì)分配的合金材料開發(fā)體系。

德國馬普所的Zhongji Sun針對凝固末期形成的熱裂紋展開大量研究工作，提出一種通過計算和調(diào)控元素分配來實現(xiàn)熱力學導向增材制造合金設計的方法。作者選用兩種不同Si含量的IN738LC合金來論證這個方法的有效性，首先從納米尺度量化了IN738LC的元素分配行為，其次根據(jù)固液線差值計算了枝晶間區(qū)域的凝固區(qū)間，最后通過模擬計算各相的熱力學驅動力來評估和選擇合金元素及所形成的相，如圖1。最終優(yōu)化的合金體系，在工藝參數(shù)調(diào)整的增材制造下，可以獲得無缺陷的零件。

圖1 熱力學導向合金設計及工藝設計原理圖

通過將熱力學計算的元素分配行為和裂紋發(fā)生區(qū)域進行對比，研究發(fā)現(xiàn)硼元素枝晶間大量富集是導致IN738LC熱裂紋的根本原因。究其機理，一方面，快速凝固末期形成了富含硼元素的低熔點薄液化膜，促使裂紋沿薄膜開裂。而另一方面，激光粉末床熔融工藝中激光反沖力造成的氣孔提供了熱裂紋的裂紋源。綜上所述，因此作者進行了工藝優(yōu)化和成分調(diào)整，降低硼元素含量和減小激光功率，如圖2，并論證該基于熱力學的成分和工藝設計方法適合其他合金。

圖2 通過工藝優(yōu)化和成分調(diào)整后的0.11Si合金

從元素分配的角度，通過熱力學計算，結合成分調(diào)整和工藝優(yōu)化兩種手段來實現(xiàn)無裂紋高溫合金增材制造。該合金設計方法也具有較好的普適性，大大降低了合金體系的開發(fā)成本，推動高性能材料增材制造的發(fā)展。

參考文獻：
Zhongji,Sun,Yan,Ma,Dirk,Ponge,Stefan,Zaefferer,Eric A,Jägle,Baptiste,Gault,Anthony D,Rollett,Dierk,Raabe. Thermodynamics-guided alloy and process design for additive manufacturing.[J].Nature communications,2022,13(1):4361.