IMDEA材料研究所3D打印IN939高溫合金最新成果，可實現(xiàn)微觀結構調控

導讀：鎳基高溫合金，例如因科系列鎳基合金，在極端條件下具有卓越強度和耐受性，是增材制造領域最具前景但又極具挑戰(zhàn)性的材料之一。這些材料以其在而聞名。然而，它們的復雜性也給打印過程中控制內部微觀結構帶來了巨大的挑戰(zhàn)。理解和操控這種微觀結構至關重要，因為它直接影響所制造部件的機械性能、耐久性和可靠性。

2025年8月8日，南極熊獲悉，IMDEA材料研究所IgnacioRodríguez Barber領導的團隊最近開展了一項3D打印IN939鎳基高溫合金的研究，提出了一種流線型且可擴展的方法，用于設計和控制激光粉末床熔融（LPBF）制備Inconel 939（In939）合金組件中的微觀結構。

△IMDEA材料研究所研究員 Ignacio Rodríguez Barber 與多個 LPBF 打印的 IN939 結構合影

這項研究以題為“Melt pool overlap as a key tool formicrostructure design in PBF-LB/M of a Ni-based superalloy: empirical andanalytical approaches”的論文發(fā)表在《增材制造》雜志上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2025.104901

鎳基高溫合金在工業(yè)中的關鍵作用

鎳基高溫合金在各種高性能行業(yè)中發(fā)揮著至關重要的作用。它們能夠耐受高溫和腐蝕環(huán)境，這使得它們在航空航天和能源生產(chǎn)等領域至關重要。由這些合金制成的部件通常暴露在嚴苛的操作條件下，例如燃氣輪機和噴氣發(fā)動機中，在這些條件下材料不能失效。盡管鎳基高溫合金具有諸多優(yōu)勢，但正是這些特性導致了制造難度，尤其是在試圖在復雜的幾何形狀中實現(xiàn)精確均勻的晶粒結構時。

LPBF工藝雖然用途廣泛且精度高，但會引入快速的熱波動，導致晶粒結構復雜且通常難以預測。無法持續(xù)預測和控制這些微觀結構可能會影響最終產(chǎn)品的性能。傳統(tǒng)方法很大程度上依賴于反復的反復試驗，這限制了效率并增加了生產(chǎn)成本。業(yè)界長期以來一直期待一種既具有預測能力又可擴展的微觀結構特性控制方法。

在María Teresa Pérez-Prado的領導下，可持續(xù)冶金集團致力于解決金屬加工中的關鍵挑戰(zhàn)。研究團隊開發(fā)了一種實用方法，能夠在鎳基高溫合金的LPBF過程中實現(xiàn)精確的微觀結構控制。該方法通過確定熔池重疊是一個關鍵的幾何參數(shù)，并進行調整以實現(xiàn)所需的微觀結構結果，從而實現(xiàn)了重大突破。

△大型 EBSDIPF 圖展示了二維微觀結構設計的示例。圖中所示的設計是 IMDEA Materials 可持續(xù)冶金研究小組的標志。

IMDEA 對 IN939 的愿景

這項研究的重點是IN939，這是一種常用于航空航天和能源應用的高性能鎳基高溫合金。它表現(xiàn)出優(yōu)異的抗高溫、抗氧化和抗蠕變性能。這些特性非常適合需要長時間暴露于惡劣條件下的應用。然而，IN939的加工窗口狹窄，且在凝固過程中容易開裂，這使得它很難通過LPBF工藝進行有效加工，并且不會引入結構缺陷。

這項研究的核心創(chuàng)新在于對熔池重疊度的詳細研究，即LPBF工藝中相鄰激光路徑的交叉程度。通過系統(tǒng)地調整這種重疊度，研究人員能夠影響打印材料中的晶粒尺寸、形狀和取向。低于0.6的低重疊度可形成細晶粒、等軸結構，這種結構更加均勻，不易開裂。相反，較高的重疊度則促進了細長、柱狀晶粒的生長，并具有較強的織構。這一發(fā)現(xiàn)為局部微觀結構控制打開了大門，使工程師能夠定制單個部件內不同區(qū)域的內部特性。

為了強化研究成果，IMDEA 團隊將實踐實驗與先進的建模技術相結合。他們重新表述了傳統(tǒng)上用于熱傳導預測的羅森塔爾方程，更適合 LPBF 的動態(tài)條件。此外，他們還開發(fā)了一種新的歸一化體積能量密度解釋，有助于解釋能量輸入在加工過程中如何與材料相互作用。這些模型提高了微觀結構預測的準確性，并為設計工藝參數(shù)提供了更穩(wěn)健的框架。

這項研究催生了一種預測工具，使制造商能夠以前所未有的精度定義和調整工藝參數(shù)�，F(xiàn)在，諸如激光功率、掃描速度、掃描距離和掃描軌道長度等變量可以直接與微觀結構結果關聯(lián)。通過微調這些參數(shù)，我們不僅能夠制造形狀和尺寸優(yōu)化的組件，還能優(yōu)化材料性能，從而適應零件各個部分的特定需求。

△通過LPBF打印制造的8×8×8 mm³立方體樣品。不同的灰色陰影表示不同的掃描參數(shù)。

瞄準工業(yè)生產(chǎn)

與許多局限于實驗室環(huán)境的學術解決方案不同，IMDEA 的方法完全兼容工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。它能夠與快速掃描策略、較大的層厚以及標準掃描模式（例如層間旋轉移動的蜿蜒路徑）無縫協(xié)作。這確保了LPBF工藝的高效性和可擴展性，在滿足大規(guī)模制造的生產(chǎn)力要求的同時，保持質量和結構完整性。

這項研究的實際意義重大。通過對晶粒結構進行局部控制，工程師可以設計出性能卓越的組件，例如在關鍵應力區(qū)域提高抗疲勞性能，或在需要時增強導熱性。這項研究不僅推動了材料工程科學的發(fā)展，也為航空、發(fā)電和太空探索等各個領域的組件設計創(chuàng)新創(chuàng)造了機會。

本研究得到了西班牙科學、創(chuàng)新與大學部（PID2019–111285RB-I00項目）的大力支持。首席研究員Ignacio Rodríguez Barber作為部門授予的FPI獎學金（PRE2020–094256）的一部分開展了這項研究。他們的支持對于這項前沿研究從理論探索走向實際應用至關重要。