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突破:1.6GPa超强钛合金,达到现有所有3D打印金属中最高比强度

   2022-09-20 590

  9.16日,3D打印技术参考注意到,澳大利亚莫纳什大学增材制造中心的研究团队联合上海理工大学、中科院金属所、澳大利亚国立大学、澳大利亚迪肯大学以及美国俄亥俄州立大学利用3D打印技术实现了现有商用钛合金(BetaC合金,国内牌号TB9)力学性能的大幅提升,使其达到现有所有3D打印金属中最高的比强度。

  研究人员对SLM制造的合金进行了两种不同温度的直接时效热处理,(480°C和520°C热处理),实现了惊人的强度。经过480°C后热处理后,极限抗拉强度达到了1611MPa ,并保持了5.4%的均匀伸长率。这种强度高于迄今为止报道的所有3D打印钛合金、钢、铝合金以及基高温合金。此外,这种合金的强度和延展性可以通过调整热处理方案来调控,从而满足特定应用需求。

  相关研究成果以题 “Ultrastrong Nano-twinned Titanium Alloys through Additive Manufacturing” 发表在Nature materials上。论文的共同通讯作者为莫纳什大学黄爱军教授、朱玉满博士和上海理工大学王皞教授,共同第一作者为莫纳什大学朱玉满博士、张坤博士和中科院金属所的孟智超博士研究生,中科院金属所的杨锐教授和上海理工大学张恺副教授为共同作者。

  论文链接:

  https://doi.org/10.1038/s41563-022-01359-2

  A380、A350、B777、B787等最新型的民用飞机以及我国自行研制的民用飞机C919机体上钛合金的用量达到了10%左右,每架飞机钛合金零件的总重量达到5~25吨。当前,“铸锭熔炼-棒材开坯锻造-零件毛坯模锻-零件机加工”是航空大型承力钛合金结构件的典型制造方法,尽管已成熟应用多年,但是存在工序多、机加工量大的问题,造成材料成本高、加工成本高、制造和资金占用周期长,极大地影响了钛合金零件的制造成本与供货周期。

  激光粉末床熔融(LPBF)是在民用航空领域中已经获得应用的一种3D打印技术。SLM制造的高温合金燃油喷嘴已经在CFM LEAP发动机中批量使用,SLM制造的三十余项Ti-6Al-4V钛合金舱门零部件已经在C919飞机机体装机应用。挪威Norsk Titanium公司在2010年开发了快速等离子沉积(RDP,即等离子弧WAAM)设备,该公司的钛合金RDP技术于2016年获得了美国联邦航空管理局(FAA)的技术成熟度8级认证,已向波音公司交付多批经过FAA认证的熔丝增材制造Ti-6Al-4V钛合金结构件,形成工业化应用能力。随着航空航天领域对于复杂构件性能要求的提升,对用于关键承载构件的钛合金(包括具有潜在应用前景的3D打印钛合金)的力学性能提出了更高的要求。

  研究人员利用3D打印工艺独特的热循环和快速凝固特点,在材料中形成致密、稳定和多重内部孪晶的独特纳米沉淀微观组织结构,从而获得前所未有的拉伸强度,并提出了一种全新的现有商业钛合金沉淀强化方法,可直接用于生产具有复杂形状的部件,并可能应用于目前还无法实现的3D打印承载结构件制造,拓宽现有商用3D打印钛合金在航空航天工业中的应用,并避免了航空航天领域对新型合金的昂贵、耗时长的认证和研究过程。

  通过L-PBF 3D打印以及后续热处理制备的商用Beta-C钛合金的拉伸性能( a. 480°C/6h和520°C/3 h下,打印态和热处理后样品的工程应力-应变曲线。b. LPBF Beta-C合金在后热处理后的比强度和均匀伸长率 (UE) 之间的相关性,并与3D打印的其他高强度钛合金、钢、铝和镍基高温合金的对比)

LPBF 打印态和热处理后Beta-C 钛合金的微观结构

密集螺旋位错周围纳米孪晶沉淀的分子动力学模拟

  总之,通过3D打印配合热处理,可以通过形成高密度内部孪晶纳米沉淀物来实现超高强度钛合金制造。尽管在纯金属中实现致密的纳米孪晶可以实现很高的强度和足够的延展性,但此前在任何合金中都没有报道过这种内部孪晶纳米沉淀物。这项研究表明,可以利用3D打印固有的热循环和快速凝固来实现独特的沉淀微观结构,获得卓越的机械性能。值得注意的是,这项工作已经在当前的商业钛合金中实现。此外,通过3D打印后热处理获得的微观结构被证明在具体的使用环境中具有热循环和应力稳定。


 
标签: 3D打印
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