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西北工业大学力学与土木建筑学院岳珠峰教授课题组在固体力学顶级期刊IJP上发表高水平研究论文

发布时间:2021/11/30   作者:   点击:[]

GH4169镍基高温合金以其在650℃高温工况环境中仍具有的良好力学性能及耐腐蚀性能,被广泛应用于航空航天、燃气轮机等领域的热端部件中。近年来,金属激光增材制造(LAM)技术,作为一种快速、近净、无模化成型技术,在热端部件制造领域吸引了越来越多的关注。该技术成型精度高、成型零件力学性能好,材料利用率高;可以实现大尺寸、复杂异形结构零件的精密成型,十分适合高性能复杂热端部件的快速制造和损伤修复。然而,由于LAM技术成型过程具有快速凝固、高温度梯度的特点,成型的GH4169合金形貌与传统铸造/锻造成型的材料力学性能有较大差异,其中一个重要特点就是LAM成型材料有显著的各向异性。目前,关于各向异性的研究仍处于起步阶段,其成因和影响机理仍不明确。

近日,西北工业大学力学与土木建筑学院岳珠峰教授课题组在金属激光增材制造成型的GH4169镍基高温合金各向异性力学性能方面开展了较为全面的研究工作,相关研究成果以题为“A Comprehensive Study of the Anisotropic Tensile Properties of Laser Additive Manufactured Ni-based Superalloy after Heat Treatment”(https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2021.103147)的论文发表于期刊《InternationalJournal of Plasticity,该期刊是力学和机械工程领域国际公认的顶级期刊。

岳珠峰教授课题组在研究中发现,LAM成型后沉积态GH4169高温合金的沿外载荷方向拉伸强度要显著好于垂直于外载荷方向拉伸强度,而经过两种选定的(980℃和1050℃固溶时效)热处理后,拉伸强度都呈现相反的趋势(如图1所示)。通过对沉积态试样进行微观组织的观测(如图2所示),将沉积态各向异性拉伸强度的差异归结于脆性Laves偏析相的定向凝固形貌的影响(如图2所示)。首次提出了“有效Laves/γ相界面受载面积”这个参量来衡量Laves偏析相的影响(如图3所示)。经过固溶时效热处理后,材料的γ,γ’’强化相得以析出,显著提高了LAM成型GH4169合金的拉伸性能。此外,文章还定量研究了沉积态及两种热处理状态不同截面的残余应力,发现三种状态试件垂直于和沿载荷方向截面残余应力有显著差异,该差异较大程度上影响了不同方向、不同热处理制度下LAM成型GH4169合金的拉伸性能,热处理前后残余应力的显著变化是受热处理温度影响:热处理影响了材料内部晶粒的再结晶现象,不同的再结晶程度影响了残余应力的变化,进而影响了不同状态下LAM成型GH4169合金的拉伸性能。该项工作为LAM成型GH4169合金的成形工艺和热处理的技术优化,力学性能研究,及其在航空航天领域实际工程应用提供了理论支撑。

论文以西北工业大学(第一单位)博士研究生赵哲南为第一作者,西北工业大学李磊教授、杨未柱副研究员为该论文的共同通讯作者。西北工业大学岳珠峰、连业达教授,博士研究生曾延共同参与了该研究工作。研究得到了国家自然科学基金委(Nos.519754711190225952175149)、上海市自然科学基金(21ZR1469300)等项目的资助。

  图1 沉积态和两种热处理态拉伸性能对比(“H”和“V”分别代表垂直于外载荷方向和沿外载荷方向,右上角标注了相近牌号IN718合金的美标拉伸性能)

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  图2 沉积态Laves相对各向异性拉伸性能的影响示意图(绿色结构代表Laves相,灰色半透明结构代表γ相基体)


  图3 在不同外载荷方向作用下,Laves/γ相界面分离及Laves相内部断裂对沉积态GH4169合金不同拉伸破坏行为的影响示意图(绿色结构代表Laves相,灰色半透明结构代表γ相基体)


(文/图:李磊、赵哲南  审核:温世峰)





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