科研进展 | 创艺学院在金属增材制造技术领域发表最新研究成果

「创艺·科研进展」

SCA Research Progress

基于激光粉床熔化（laser powder bed fusion, LPBF）的增材制造技术有效规避了传统金属铸造过程中复杂的模具制作和多步骤组件装配的问题，为复杂结构部件的一体化成型提供了可能。针对航空航天领域的应用前景，创艺学院智造系统工程中心（CASE）展开了LPBF工艺制备钛合金、高温合金部件的凝固行为、微观组织、力学性能及其内禀关系的一系列研究工作。

近日，张振波和翟梓融课题组分别在国际学术期刊《Materials & Design》上发表了最新研究进展。

TA15合金（Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V）是一种近α高温钛合金，由于其高的高温强度和耐腐蚀性能被广泛应用于制备航空发动机和燃气轮机的热端关键部件。LPBF制备的TA15合金组织显著不同于传统锻造态，导致LPBF合金的力学行为与传统锻造态合金具有明显差异。

张振波课题组针对LPBF TA15合金开展了系统的组织调控和力学行为研究，揭示了LPBF特殊组织形态的变形机制及其对力学行为的影响规律，建立LPBF TA15合金的微观组织与力学性能关系，并通过调控打印工艺和热处理制度获得了高温强度和塑性均明显优于传统锻造态合金的组织状态。

研究结果表明，LPBF打印态组织中的α′马氏体在热处理初期会转化为α相，并伴随温度升高而粗化，位错孪晶密度降低，合金的塑性提升。

相关研究工作详见论文

“Tailoring high-temperature mechanical properties of laser powder bed fusion Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1 V alloy via microstructure design”

（链接：doi.org/10.1016/j.matdes.2023.112488）

2020级硕士研究生张宇是论文第一作者

上海科技大学为第一完成单位

图1 LPBF TA15合金打印态和热处理态组织演化、力学行为和变形机制

对于传统LPBF技术，由于单道熔池宽度限制，最小制造特征尺寸通常不小于200 μm，这一尺寸远大于微型器件所需的尺度精度。微细激光粉床熔化（μ-LPBF）技术可以通过调整诸如光斑直径、粉末粒径和铺粉层厚度等加工参数，实现更高精度的增材制造。

翟梓融团队与Aixway3d公司合作研究了微细μ-LPBF与传统LPBF在制造镍基高温合金时微观结构、凝固行为、成分偏析和力学性能的差异。

研究结果表明，微细μ-LPBF中小光斑（光斑直径由传统80 μm降至20 μm）的能量输入可以提高凝固速度，在温度梯度增长受限的情况下，仍可促使柱状晶向等轴晶的转变，从而制造出细晶、弱织构的高温合金组织，且在同一方向的屈服强度有显著提升。此项工作为研究微细μ-LPBF技术在微型特征制造方面的潜力和挑战提供了重要的科学依据。

相关研究工作详见论文

“Microstructure and mechanical property comparison of Inconel alloys fabricated using micro and conventional laser powder bed fusion”

（链接：doi.org/10.1016/j.matdes.2023.112534）

2022级博士生陈奕璇是论文第一作者

上海科技大学为第一完成单位

图2 微细激光粉床熔化的工艺调控-微观结构-凝固行为及力学性能

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