[论文解读] Additive Manufacturing of Nickel Based Superalloy

Apoorv Kulkarni|arXiv (Cornell University)|May 14, 2018

Additive Manufacturing Materials and Processes参考文献 6被引用 7

一句话总结

本文综述了采用电子束熔融（EBM）、激光束熔融（LBM）和直接能量沉积（DED）等技术进行镍基高温合金增材制造（3D打印）的研究。分析了所得显微组织、性能及在高性能应用中的表现，强调了定向凝固和热循环对材料行为的影响。

ABSTRACT

This paper reviews the use of relatively new manufacturing method called as additive manufacturing, most often mentioned as 3D printing in fabrication of high performance superalloys. The overview of the article describes the structure, property, processing, performance relationship of the fabrication process and the superalloys. The manufacturing methods such as Electron Beam Melting, Laser Beam Melting and Direct Energy Deposition used to fabricate commercially available alloys are explained. The microstructure / grain structure resulting from directional building, complex thermal cycles is discussed. An overview of the properties of the superalloys and their performance as well as applications is presented.

研究动机与目标

• 分析增材制造镍基高温合金中的组织-性能-工艺-性能关系。
• 评估主要增材制造技术——电子束熔融（EBM）、激光束熔融（LBM）和直接能量沉积（DED）——在商用高温合金上的有效性。
• 理解增材制造过程中定向成形和复杂热循环引起的显微组织演化。
• 评估增材制造高温合金的力学性能、性能表现及实际应用。
• 全面概述增材制造高性能高温合金在航空航天和能源应用领域的最新技术进展。

提出的方法

• 系统性回顾镍基高温合金增材制造的现有文献和实验数据。
• 分析增材制造过程中逐层沉积的热循环与凝固动力学。
• 检查增材制造零件中的显微组织特征，如晶粒结构、柱状晶生长及缺陷形成。
• 基于工艺参数和材料特性，对比EBM、LBM和DED等不同增材制造技术。
• 利用已发表研究和实验结果中的数据，评估力学性能和性能表现。
• 将研究发现整合为一个连贯的框架，连接工艺参数与显微组织及最终部件性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同的增材制造工艺（EBM、LBM、DED）如何影响镍基高温合金的显微组织？
• RQ2 定向凝固和热循环对增材制造高温合金的晶粒结构和缺陷形成有何影响？
• RQ3 增材制造镍基高温合金的力学性能与传统加工方法相比如何？
• RQ4 增材制造高温合金部件的关键性能限制和失效机理是什么？
• RQ5 增材制造镍基高温合金在航空航天和能源系统中的当前及新兴应用有哪些？

主要发现

• 电子束熔融（EBM）和激光束熔融（LBM）等增材制造工艺由于高温度梯度和快速凝固，产生细小的柱状晶结构。
• 逐层沉积过程中的复杂热循环导致残余应力，并可能在凝固显微组织中引起微区偏析。
• 孔隙率和未熔合等缺陷较为常见，并显著影响机械性能，尤其是疲劳和蠕变抗力。
• 增材制造高温合金的最终显微组织高度依赖于工艺参数，包括激光功率、扫描速度和扫描间距。
• 尽管存在挑战，增材制造镍基高温合金仍表现出优异的力学性能，且在高温航空航天部件中的应用日益广泛。
• 直接能量沉积（DED）可实现大型复杂零件的近净成形，但其显微组织相比粉末床方法更为粗化。