国内3D打印制备稀土强化等轴细晶零件的发展举例

| 3DScienceValley · 2016/11/23

材料的强韧化是材料发展中非常重要的内容，以高温合金为例，高温合金是航空发动机中各种高温部件的关键材料，高温合金的综合性能和内部组织密切相关，用于航空发动机的低压涡轮叶片、涡轮转子等(其工作温度在760℃以下)，所以高温合金的研究领域逐渐走向了通过特殊材料增强合金的各项耐高温性能的方向。

3D科学谷之前介绍过国内在纳米陶瓷增强合金方面的技术进展情况，那么除了通过纳米陶瓷增强的方法，还有什么其他方法呢？本期我们一起来看航星利华在高能束金属3D打印制备稀土强化等轴细晶零件方面的研究。

小稀土大作用

由于承受气动和离心力的作用，叶身中的拉应力和弯曲应力都比较大，这就要求叶片材料有足够的高温抗变形能力和好的低周疲劳寿命。因此，对于在中温以下使用的高温合金铸件，其组织特征要求：铸件截面应为尽可能细小的等轴晶，避免晶界上连续析出碳化物，尽可能少的微观缩孔和尽可能低的偏析。均匀的细晶组织可以提高材料的综合机械性能，增加抗疲劳能力，延长寿命。

在传统的精密铸造工艺中，浇注过程易产生表面晶粒粗大、砂眼、缩松等缺陷，而晶粒过大，超出标准要求的柱状晶会使叶片表层的抗疲劳性能降低。航星利华在高能束金属3D打印制备稀土强化等轴细晶零件的制备中采用的是电子束选择性熔化技术，热源为电子束，功率为3500～4000 瓦，扫描速度8km/s，单层厚度50～200μm。对于热源激光器，激光器的功率为200～400W，扫描速度5～12m/s，单层厚度20-80μm，光斑直径50～200μm。

除了对加工工艺的控制很重要，对材料的了解也很重要。稀土及其氧化物是一种非常常见的细化剂，国际国内进行了很多尝试。多数人的研究是激光表面改性，由于稀土元素的加入，明显地改善了零件的显微组织，耐磨性提高了1-4倍，硬度增加，耐腐蚀性能提高。但是由于对其机理的研究不是太透彻，还没有普及并应用到实际工业领域。而且轻重稀土元素有17种之多，加上碳化物、氧化物、氮化物和金属间化合物，为涂层的改性，零件组织的细化提供了广阔的应用前景。还有的研究表明，在熔覆材料中加入了稀土元素后，熔覆层的显微组织得到了一定程度的细化，柱状晶的产生范围有所减小，熔覆层的显微硬度相应的提高，熔覆层的耐磨性比未加稀土的提高将近1倍，说明稀土元素在激光熔覆过程中进入熔覆层并对熔覆层的结晶过程产生影响，使熔覆层的强韧性同时得到提高。

目前工业领域的其他常用金属材料如A1基、钛基、铁基和镁基材料是稀土添加剂研究最多的材料类型。外加的合金元素对合金的强化作用主要表现在固溶强化、时效强化、过剩强化和细晶组织强化。航星利华采用的镍基高温合金为Incone1718，在不同的场景下，稀土添加剂分别稀土元素为Y，添加量为0.5％；稀土添加剂为La2O3，添加量为0.4％；通过控制工艺条件，分别添加稀土元素、稀土化合物和稀土元素以形成稀土金属间化合物，对组织进行细化和对性能进行强化，克服市场上存在的不能完全获得等轴晶零件和内部组织不均匀的不足。与传统技术相互补充，从而能制造出优质的等轴晶涡轮叶片和涡轮转子。

3D科学谷看到在增材制造技术为新材料的研发提供了一个广阔的平台，材料与工艺高度结合起来，使得梯度合金、增强合金这些以往传统方法很难一次性加工实现的材料走向新领域的研发台阶。这些将在工业领域打开非常广阔的应用前景。