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机械系朱强教授课题组在增材制造复合材料性能提升领域取得最新进展

      近日,南方科技大学机械与能源工程系朱强讲席教授研究团队2017级博士研究生郭川在材料腐蚀顶级期刊Corrosion Science上发表最新研究成果,提出了一种通过纳米氧化物复合激光粉床熔融增材制造技术,显著提升镍基高温合金的抗氧化性能。
       增材制造,俗称3D打印,是一种新型零部件制造技术,用于对复杂构件进行逐层制造或修复,是“中国制造2025”最典型的先进制造技术之一。激光粉床熔融(Laser powder bed fusion)是一种以粉材为原材料的金属增材制造工艺,有着制造精度高,节省材料等诸多优点。镍基高温合金广泛应用于航空航天工业领域,如涡轮盘、叶片、燃油喷嘴和防热板等,其高温强度和抗氧化性能是决定产品应用性能的关键。激光粉床熔融技术具有极大的灵活性,可通过混粉或球磨等手段直接将外部纳米颗粒引入原始粉末中,为制造高质量的复合材料提供了可能。
      该研究将不同质量分数氧化钇(Y2O3)纳米粒子加入到沉淀强化镍基高温合金IN738LC粉末当中,经激光粉床熔融工艺制作成块体试样,对打印后的试样进行1095摄氏度下的高温循环氧化实验,以相同时间段内试样的增重来评价其抗氧化性,如图1展示了不同纳米氧化钇添加合金的氧化动力曲线以及氧化率曲线。由此可见,0.05wt%的添加量对抗氧化性有显著提升,而过量的添加(0.2wt%,0.6wt%)反而会增加合金氧化率。
 
图1不同纳米氧化钇添加合金的(a)氧化动力曲线以及(b)氧化率曲线。

      利用激光共聚焦显微镜对氧化层表面实行了观测,结果如图2所示。发现表面的瘤状形貌以及氧化层的剥离是影响其表面质量的主要原因。相较于未加入以及加入0.05wt%氧化钇的合金,过量的纳米合金的引入会加剧氧化层的剥离,从而导致较高的表面粗糙度。
 
 
图2不同质量分数纳米氧化钇添加合金的氧化层重构表面,(a)0wt%,(b)0.05wt%,(c)0.2wt%和(d) 0.6wt%
 
      通过对氧化层截面的观察发现,原合金的氧化层主要由相对较薄的富铬表面层(Cr-rich layer)和氧化铝亚层(Al2O3)组成(图3a)。加入0.05wt%的纳米颗粒未对氧化层的元素分布有较大影响,只是富铬层有所增厚并且更加连续(图3b)。然而,0.2wt%和0.6wt%的添加量使得富铬层几乎占据了整个氧化层,而氧化铝的形成被限制在基体中,且呈树枝状不连续分布(图3c和d)。
 
图3不同质量分数纳米氧化钇添加合金的氧化层截面,(a)0wt%,(b)0.05wt%,(c)0.2wt%,(d)0.6wt%
 
      通过对试样的观察和分析,氧化层被分为铝型(0wt%,0.05wt%)和铬型(0.2wt%,0.6wt%)两种类型,其形成机理如图4所示。在氧化初期,氧化铬率先生成,并与后续的镍离子发生反应,生成尖晶石结构的铬酸镍(NiCr2O4),可阻止材料与氧气的进一步反应。纳米氧化钇颗粒对氧化铬的形核有促进作用,从而提升了材料的抗氧化性(0.05wt%)。然而,通过CET和PBR模型对氧化过程中的应力进行了计算,发现氧化铬中的应力大于氧化铝,使得铬型氧化层更易于剥落,对合金的抗氧化性产生不利的影响(0.2wt%,0.6wt%)。
 
 
图4不同类型氧化层形成的原理示意图
 
      该研究成果解决了传统工艺无法均匀引入外加颗粒的难题,并对引入颗粒对合金组织性能的影响做了充分解释。同时为提高激光粉床熔融高温合金抗腐蚀性能提供了一种新的技术途径,为飞机发动机和地面燃气轮机高温合金性能的提升提供了新思路,未来该项研究成果在飞机关键零部件、严苛环境下耐腐蚀材料领域亦有广泛的发展前景。
 
       2017级博士郭川为本文的第一作者,朱强教授和英国伯明翰大学的Mark Ward博士为文章的共同通讯作者,南科大为第一通讯单位。该研究获得了深圳科技创新委员会和国家自然基金的共同资助。
 
文章链接:https://doi.org/10.1016/j.corsci.2020.108715


供稿:朱强课题组
编辑:邓苏