江蘇激光聯盟導讀：采用SLM技術制備鎳基高溫合金時，如CM247LC高溫合金，容易産生焊接裂紋。這裡為大家展示了一種新技術，在SLM的制造階段，如何利用LSP（Laser Shock Peening）來不斷地抑制裂紋地産生。CM247LC樣品采用不同的LSP參數進行了制備，同時LSP參數對試樣的體積裂紋密度也進行了評估。觀察發現在所有的實驗參數的條件下，裂紋的抑制情況可以降低到95%，顯示出該複合SLM LSP的技術可以顯著地提高裂紋敏感合金地可加工性。

采用複合SLM LSP技術對葉片進行加工的應用案例

項目背景

Ni基高溫合金具有優異的性能，如耐高溫、耐腐蝕，而在高溫應用場合得到重要的應用，如汽輪機和噴氣式飛機的發動機及其葉片。

在衆多的高溫合金當中，CM247LC高溫合金在高溫條件下具有優異的抗蠕變和抗腐蝕的性能，使得該高溫合金成為制造承受高載荷和高溫環境下應用的渦輪葉片。CM247LC合金是依靠高含量的γ´有序二次相進行強化的，并且屬于非常容易産生裂紋的高溫合金。不管是采用熔化焊接還是SLM 3D打印對其進行加工，均非常容易産生裂紋。對于Ni基高溫合金，有四種機制可以解釋其裂紋的形成原因，這些原因對于CM247LC高溫合金來說，同樣适用。

1)凝固裂紋（熱撕裂）經常發生在材料處于部分固态的時候（凝固的熔池或者蘑菇區，蘑菇就是固體和液體的混合區），結果殘餘的液體在枝晶間區 存在。由于凝固造成殘餘拉伸應力的存在，進入的液相區的液體就成為裂紋的起點。

2)液相裂紋大多發生在熱影響區（Heat Affected Zone (HAZ)），并且一些研究學者指出該機理是在低能量焊接時産生裂紋的主要原因。在HAZ，低熔點的相，如 γ-γ′ 共晶存在化學成分上的不均勻性，在晶界形成液相薄膜。由于液相薄膜不能提供凝固收縮造成的液體供給（TRS是收縮造成的），從而形成裂紋源。

3)應變時效裂紋（Strain-age cracking (SAC) ）同Ｎｉ基高溫合金的厚熱處理相關。SAC的發生同焊接材料在時效區進行再加熱相關。SAC的機制在于兩個相互競争的機制。首先，在後熱處理時殘餘應力的釋放。另外一方面， γ′ 保持析出，從而使得合金的韌性下降，雨哦此導緻新的額外的殘餘應力的産生。如果殘餘應力導緻的應變超過韌性的極限，就會在晶界邊界産生裂紋，通常是在碳化物的邊界産生。在SLM進行打印的時候，在沉積新層的，不斷反複的加熱，同焊接後的再熱比較類似，隻是程度上同焊接後的再熱不同而已。

4)延性深入裂紋（Ductility-dip cracking (DDC)）是一種蠕變機制性的裂紋，不能高到可以實現動态再結晶，但卻足夠發生晶界滑移。後者就造成在晶界的三角連接區産生應力集中，從而造成孔洞或者裂紋。

項目成果的示意圖

SLM制造高溫合金已經被被廣泛的給予了研究。各種策略被提出來用于減少裂紋的密度，如優化SLＭ的工藝參數，應用熱等靜壓（ Hot Isostatic Pressing (HIP)）以及調制化學成分等。HIP工藝通常會導緻晶粒的粗大，這對後期部件的機械性能有損傷。 Carter 等人認為高溫合金CM247LC 産生裂紋的機制是 DDC，因為在裂紋的附近可以觀察到大角度晶界。在SLM制造IN738LC（另外一種 γ´強化的Ni基高溫合金）的時候，觀察到液相裂紋的存在。在裂紋表面的枝晶結構以及低熔點的合金元素是這一裂紋産生的兩個最直接的證據。　

盡管對于γ´強化的 Ni高溫合金的裂紋形成機制還存在争議，但所有的機制都需有 TRS應力場的存在來促進裂紋的萌生和擴展。

複合3D打印和激光沖擊的先進的複合技術 （3D LSP），是重複的在3D打印過程中利用LSP這一沖擊強化技術進行沖擊強化。這一技術是瑞士聯邦理工學院（洛桑）的研究人員發展的新技術。早期的研究表明，LSP可以将SLM制造過程中的TRS轉換為殘餘壓應力（compressive residual stresses (CRS)）。當LSP重複不斷地沖擊若幹層SLM制造層，則會造成CRS的積累，即CRS地深度和程度都會得到加強。得益于3D LSP技術可以提高部件地尺寸精度和提高部件的疲勞抗力。LSP技術還可以導緻儲存的應變能增加，這可以進一步地有助于在後續熱處理時導緻組織的再結晶。

γ´強化的Ni高溫合金在焊接或者SLM過程中極易産生裂紋。裂紋的産生是TRS導緻的，不管産生裂紋的機制是哪一種？從工業角度出發，不管是什麼樣的工件，存在裂紋都是需要廢棄的。抑制裂紋的發生是最為重要的一件事情。對 SLM樣品的沉積态和經過3D LSP處理後的試樣進行了對比和對裂紋密度進行了測量，結果發現3D LSP之後裂紋得到顯著的抑制。并對裂紋的抑制機制也進行了探讨。　

在LSP之後SLM制造n層之後 的3D LSP示意圖

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來自瑞士聯邦理工學院（洛桑）（Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL)）的研究人員發展了一種新的3D打印技術來制造金屬部件，該金屬部件具有前所未有的耐高溫、耐損傷和耐腐蝕的能力。這一技術可以應用的範圍非常廣泛，從航空航天到電力葉片，均可以應用。

3D打印技術，又叫增材制造，是一個革命性的制造部件的技術，在複雜形狀的部件制造的速度上給出了定義了新的标準。

如今制造商開始逐漸采用SLM技術來打印金屬部件。使用SLM技術來打印時，高功率的激光束熔化金屬基材和金屬粉末，然後不斷掃描、層層堆積形成3D形态的金屬部件。多餘的粉末在3D打印技術後将被移除。SLM技術進行打印時，其中一個弊端在于非常容易産生拉伸殘餘應力的積累tensile residual stresses (TRS)，這一TRS往往會導緻部件産生裂紋和扭曲。如果不能在加工的過程種或者加工後對TRS進行釋放，TRS就會嚴重的影響部件的疲勞壽命。

此外，有些金屬和合金是不能經受SLM加工的來回的高溫變化（如高溫合金CM247LC），會導緻裂紋的産生。

每SLM２０層就進行LSP處理，且LSP處理時搭接率為８０％的結果

來自瑞士聯邦理工學院（洛桑）的研究人員發展了一種新的辦法，即在激光增材制造的過程中，每制造幾層後就進行二次激光處理。這一處理辦法則顯著的降低了裂紋的傾向性，而且制造出來的金屬部件具有前所未有的抵抗高溫、腐蝕和損傷的能力。

這一專利技術，發表在期刊《 Additive Manufacturing》上，可以用來制造新一代電力用渦輪葉片或航空中的關鍵部件。

不同狀态下的金相組織

圖解：ａ）SLM制造後沉積态的金相；ｂ）SLM制造時，每２０層進行LSP後且沒有進行熱處理之後的金相組織；ｃ）SLM制造時，每２０層進行LSP後且進行熱處理之後的金相組織；ｄ）SLM制造時，每２０層進行LSP後且進行熱處理，然後再經過化學腐蝕之後的金相組織；

沖擊波

據江蘇激光聯盟了解，研究人員發現，在制造Ni基高溫合金時，該技術可以排除高達95%的裂紋生成傾向。該技術打算用來排除其他類型的裂紋敏感合金的打印。

該技術時如何工作的？

研究人員采用大家已經熟知的激光噴丸設備（ laser shock peening, or LSP）來愈合在3D打印過程中産生的裂紋。LSP周期性的利用高能激光脈沖作用在制造過程中的部件表面。這一激光脈沖作用時，其高能脈沖就像一個“錘子”敲打工件表面，将激光沖擊波從材料中進行輸送。

這一辦法包括兩類激光。第一類激光用來熔化金屬粉末和加熱熔化的材料，而第二束激光則用來在部件産生應力，尤其是在可能産生裂紋的地方産生應力波來抑制裂紋的産生。激光噴丸一般用來進行表面處理。但在目前這個項目中，LSP成為對塊體材料進行處理的一種手段。這是因為該技術（LSP）的處理過程伴随着3D材料構建的過程進行的。

複合技術3D LSP進行抑制裂紋的機制

目前已經有好幾類材料使用該種新技術進行了制造。這一複合的LSP SLＭ技術的應用的确可以抑制裂紋的産生。我們（研究人）對該技術的了解及其該技術可能的潛在應用還隻是剛剛開始。

文章來源: Nikola Kalentics et al. Healing cracks in selective laser melting by 3D laser shock peening, Additive Manufacturing (2019). DOI: 10.1016/j.addma.2019.100881

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