鎳基高溫合金3D打印成形熱力學行為及致密化機理

鎳基高溫合金因其優(yōu)異的高溫服役性能被廣泛應用于航天、航空等領域。相比于傳統(tǒng)的鑄造、機械切削等加工方法，3D打印能突破空間形狀復雜、高溫成形等條件的限制，已發(fā)展成為高精度、形狀復雜鎳基高溫合金航空部件的主要成形方法。而3D打印的致密化是阻礙高性能鎳基高溫合金構件應用和發(fā)展的主要原因，其中空隙的運動是影響3D打印構件致密化的主要因素之一。3D打印成形過程中，粉末在高能激光束的作用下，發(fā)生一系列復雜的冶金、化學及熱力耦合的非平衡相變過程，很難通過實驗方法研究熔池中空隙的運動規(guī)律，進而難以提高合金構件的致密度。相比之下，數值模擬仿真技術能根據3D打印過程的特性，開發(fā)合適的模型，設置相應的邊界條件，模擬3D打印成形過程熔池的熱力學行為及孔隙的運動特性，進而實現(xiàn)對構件致密化的物理本質研究。

顧冬冬教授課題組利用數值模擬仿真技術，開發(fā)介觀尺度模型，研究鎳基高溫合金在3D打印成形過程中的熱力學行為及孔隙運動特性，進而從本質上揭示3D打印鎳基高溫合金構件的致密化機理。結果表明，熱力學行為對孔隙運動影響較大：當激光能量密度逐漸增加至221.5J/m，Marangoni流逐漸增強，熔池中殘留的孔隙逐漸減小，構件致密度逐漸提高至98%以上，而激光能量密度進一步增加，熔池內部產生的渦流易于捕獲孔隙，造成熔池中殘留較多的孔隙，導致構件致密度大幅下降。

此外，該介觀模型及孔隙運動特性研究方法可為提高3D打印合金構件的致密化提供一種有效的解決途徑。