近日，東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院張濱教授團(tuán)隊(duì)攜手中國(guó)科學(xué)院金屬研究所及太行實(shí)驗(yàn)室，在激光粉末床熔融(LPBF)成形Inconel718高溫合金薄壁構(gòu)件的高溫疲勞性能厚度效應(yīng)研究方面取得了重要突破。該研究成果對(duì)于優(yōu)化增材制造薄壁構(gòu)件的服役可靠性和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則具有重要意義。

隨著增材制造技術(shù)的快速發(fā)展，其在航空航天、能源等高科技領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，尤其在制造具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的薄壁構(gòu)件方面展現(xiàn)出巨大潛力。然而，薄壁構(gòu)件的力學(xué)性能往往隨幾何尺度的減小而顯著變化，即所謂的“薄壁效應(yīng)”，這一效應(yīng)給薄壁構(gòu)件的服役可靠性評(píng)價(jià)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

為了深入理解并解決這一問題，研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)LPBF成形的Inconel718合金，詳細(xì)考察了薄壁試樣厚度(范圍在0.25毫米至2.0毫米之間)和均勻化溫度(分別為1065℃和1100℃)對(duì)其在650℃下疲勞性能的影響。研究結(jié)果顯示，在相同微觀組織尺度下，薄壁試樣的疲勞壽命隨著試樣厚度與晶粒尺寸之比(t/d)的減小而顯著縮短。此外，經(jīng)過(guò)1100℃均勻化處理的薄壁試樣相比1065℃處理的試樣，展現(xiàn)出更高的疲勞壽命。

基于連續(xù)損傷力學(xué)及位錯(cuò)理論，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步建立了描述試樣厚度與組織尺度對(duì)薄壁構(gòu)件疲勞壽命耦合影響的理論模型。通過(guò)該模型，團(tuán)隊(duì)成功獲得了LPBF成形Inconel718薄壁構(gòu)件在650℃下疲勞壽命穩(wěn)定性的t/d邊界條件。這一發(fā)現(xiàn)為薄壁構(gòu)件的設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)，有助于降低其高溫疲勞性能對(duì)構(gòu)件尺寸的敏感性。

更重要的是，研究團(tuán)隊(duì)還提出了通過(guò)調(diào)控?zé)崽幚砉に噥?lái)有效減輕LPBF成形薄壁構(gòu)件高溫疲勞性能厚度效應(yīng)的策略。這一策略的實(shí)施有望為增材制造薄壁構(gòu)件的高可靠性制造提供新的途徑。

相關(guān)研究成果已在國(guó)際知名期刊《International Journal of Plasticity》上發(fā)表，題為“Tailoring thickness debit for high-temperature fatigue resistance of Inconel 718 superalloy fabricated by laser powder bed fusion”。論文的第一作者為東北大學(xué)博士研究生馬濤，通訊作者包括東北大學(xué)張濱教授、太行實(shí)驗(yàn)室雷力明研究員以及中國(guó)科學(xué)院金屬研究所張廣平研究員。

此次研究的成功不僅彰顯了增材制造技術(shù)在高性能材料制備方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，也為進(jìn)一步推動(dòng)增材制造技術(shù)在高科技領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)致力于探索更多高性能材料的增材制造及其性能優(yōu)化策略，為相關(guān)行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展提供有力支持。