镍基高温合金3D打印成形热力学行为及致密化机理│Science Bulletin封面文章

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南京航空航天大学顾冬冬教授课题组在Science Bulletin 2016年第13期发表封面文章，利用数值模拟技术，研究了镍基高温合金在3D打印成形过程中的热力学行为及孔隙运动规律，并揭示了镍基高温合金构件的致密化机理。

镍基高温合金因其优异的高温服役性能被广泛应用于航天、航空等领域。相比于传统的铸造、机械切削等加工方法，3D打印能突破空间形状复杂、高温成形等条件的限制，已发展成为高精度、形状复杂镍基高温合金航空部件的主要成形方法。而3D打印的致密化是阻碍高性能镍基高温合金构件应用和发展的主要原因，其中空隙的运动是影响3D打印构件致密化的主要因素之一。3D打印成形过程中，粉末在高能激光束的作用下，发生一系列复杂的冶金、化学及热力耦合的非平衡相变过程，很难通过实验方法研究熔池中空隙的运动规律，进而难以提高合金构件的致密度。相比之下，数值模拟仿真技术能根据3D打印过程的特性，开发合适的模型，设置相应的边界条件，模拟3D打印成形过程熔池的热力学行为及孔隙的运动特性，进而实现对构件致密化的物理本质研究。

顾冬冬教授课题组利用数值模拟仿真技术，开发介观尺度模型，研究镍基高温合金在3D打印成形过程中的热力学行为及孔隙运动特性，进而从本质上揭示3D打印镍基高温合金构件的致密化机理。结果表明，热力学行为对孔隙运动影响较大：当激光能量密度逐渐增加至221.5J/m，Marangoni流逐渐增强，熔池中残留的孔隙逐渐减小，构件致密度逐渐提高至98%以上，而激光能量密度进一步增加，熔池内部产生的涡流易于捕获孔隙，造成熔池中残留较多的孔隙，导致构件致密度大幅下降。

此外，该介观模型及孔隙运动特性研究方法可为提高3D打印合金构件的致密化提供一种有效的解决途径。

图：在稍高的能量密度下，孔隙极易被熔池中涡流捕捉而滞留在凝固3D打印构件中，导致构件致密度降低

本项目由国家优秀青年科学基金(51322509)、国家自然科学基金(51575267)、青年拔尖人才支持计划、教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET-13-0854)、江苏省杰出青年基金(BK20130035)、人力资源和社会保障部留学人员科技活动择优资助项目(优秀类)、江苏省科技支撑计划(工业部分)重点项目(BE2014009-2)、上海航天科技创新基金(SAST2015053)和中央高校基本科研基金资助。

Mujian Xia, Dongdong Gu, Guanqun Yu, Donghua Dai, Hongyu Chen, Qimin Shi. Selective laser melting 3D printing of Ni-based superalloy: understanding thermodynamic mechanisms. Science Bulletin, 2016, 61(13):1013-1022

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