针对发电领域，尤以先进燃气轮机为代表的苛刻应用环境，对兼具高强度、高耐热“超级合金”的需求尤为迫切。定向能量沉积（DED）技术因便捷的粉末、激光混合操控、快于激光粉末床熔融的打印速率及低廉的成本特性，备受梯度材料制造领域的青睐。然而，该技术也潜藏引致内部应力的风险，进而影响材料性能。近日，美国能源部一研究报告指出，科研人员采用激光送粉定向能量沉积（DED-LB），制备了成分从IN718到René41逐渐过渡的镍基高温合金，并通过中子衍射技术，详尽测定了不同构造参数下薄壁试件的残余应力分布。
在美国能源部支持下，通用电气、爱迪生焊接研究所及橡树岭国家实验室（ORNL）的跨领域团队开展了该项研究，中子实验在ORNL散裂中子源（SNS）与高流同位素反应堆（HFIR）——能源部科学办公室用户设施——展开，中子成像技术因其穿透力，成为研究材料内部应力的优选方式。六组薄壁样品中，1A、2A及3A保持原始状态，直接进行中子衍射残余应力测量。而1B、2B、3B样品则切割处理，一半实施应力消除热处理(热处理1B、2B、3B)，另一半保持原状(原状1B、2B、3B)以供微观结构分析。应力消除热处理工艺设定为以10°C每分钟的速率升温至1204°C，在氩气保护下恒温1小时，随后进行空气冷却。主要发现如下：下方展示了1A、2A、3A试样的残余应力分布图。对比1A与2A，后者更长的激光停留时间（或更低的层间温度）导致表面拉伸及体积压缩残余应力显著高于前者。相较于1A和2A，3A试样展现了更为突出的表面拉伸与体积压缩残余应力，这表明试样高度增加、热输入量增大及构建层数增多（层厚减小）时，边缘拉伸与中心压缩残余应力同步上升。值得关注的是，应力测试的结果未展示出与成分渐变的显著相关性，这说明残余应力的增加主要受试样几何形状及制造工艺的影响。如下图所示，热处理后的试样1B、2B、3B展现出残余应力轮廓的明显变化。处理后，试样形态未见显著变形。与未经处理样品对照，1B、2B、3B试样的残余应力显著降低，普遍维持在50MPa以下的低水平，原本内部压缩与表面拉伸的残余应力分布得到显著缓解。这证明，1B、2B、3B试样经1204°C/1h的热处理，能有效大幅削减残余应力。本研究运用中子成像技术，探究激光3D打印新型超级合金的应力影响，其研究成果深化了对3D打印高温合金应力机制的认知，同时确立了一套可高效评估金属应力的创新方案，对于缩减生产成本、优化高应力高温组件性能均展现出重大价值。https://www.frontiersin.org/journals/metals-and-alloys/articles/10.3389/ftmal.2022.1070562/full
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