一种基于合金设计理念获得的新型增材制造高温合金

增材制造（3D打印）被广泛认为是当代的颠覆性技术，然而对于关键的航天航空部件而言，有诸多痛点尚未解决。例如应用于飞机发动机涡轮的高性能高温合金，由于增材过程中会产生过多微观缺陷，很难付诸应用。长期以来，高温合金的设计通常需精准把控十种元素以上的成分才能获得必要的性能，这导致基于实验的“暴力破解”法杯水车薪。且高温性能的持续损伤和寿命评估须大量数据支持。高温合金的设计与发展一直是行业难题。

近期，牛津大学的汤元博博士与Roger C Reed院士等研究者通过合金设计（Alloys-By-Design）的理念成功设计出两款新型可增材制造的高温合金。研究先用选区激光熔化（SLM）进行制造，并通过大量实验验证其可靠的高温性能，为新型合金的设计提供了新思路。该成果以“Alloys-by-design: Application to New superalloys for additivemanufacturing”发表于近期的金属顶刊《Acta Materialia》。

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基于计算的合金设计理念

合金设计理念（Alloys-By-Design）于2009年被首次提出并应用于单晶高温合金。其采用庞大的成分设计空间与可靠的物理模型来评估合金的多种性能，并以此为基础进行筛选和优化。对于AM的可加工性而言，核心考量为凝固与应变时效行为。设计之初采用的指标为Scheil凝固区间与应变时效指数，同时结合蠕变，强度，TCP相稳定程度等指标。文章后期则应用了更加深入的分析和实验数据来验证指标的可靠性与应用范围。

图一：经过ABD方法筛选过后的优化设计空间

在上述设计空间内，先选取ABD-850AM进行概念验证，同时采用分布在设计空间不同位置的两种常用高温合金进行对比：IN939，CM247LC。由图二与图三所示，三种合金均通过氩气雾化方式获得十分接近的分布，且通过一致的激光参数进行增材制造。新型合金ABD-850AM明显具有更好的AM加工性与更低的织构。另外两种高温合金普遍具有大量的微裂纹。对微裂纹的进行细致表征后，共发现三种裂纹的形成机理，分别为：凝固开裂，液化开裂与固态开裂。如图四至图六所示。

图二：三种合金粉末与增材制造后的微裂纹表征。