一种用于镍基超级合金增材制造和修复的新裂纹判据，该方法采用激光定向能量沉积技术

《British Accounting Review》：A new cracking criterion for additive manufacturing and repair of Ni-based superalloys via laser directed energy deposition

　　

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摘要

尽管镍基超级合金在激光定向能量沉积（L-DED）过程中的开裂机制已有较为详细的记录，但目前的多元素开裂判据在固化末端仍存在数值发散的问题，并且受到热力学数据有限的限制。本研究探讨了两种具有相似成分元素但开裂倾向不同的超级合金In738和In939在L-DED过程中的开裂行为。研究结果表明，开裂主要归因于溶质分配引起的固液相性质的变化，而这种变化受初始合金成分和分配系数的控制。此外，本文通过矩阵空间变换提出了一种严格的数学证明，建立了固化路径与树枝晶生长几何形状之间的仿射关系。基于这一关系和二维双晶模型，建立了一个新的固化开裂判据：' role="presentation">该判据通过连续的解析推导得出，其中$2\lambda$' role="presentation">$\mathrm{\lambda }$表示主要的树枝晶臂间距，G表示温度梯度，$T_s$' role="presentation">$T_s$表示给定固相分数下的固相线温度。$f_s$' role="presentation">$f_s$该判据在固化末端时表现出快速收敛性（即$f_s$' role="presentation">$f_s$→1），从而克服了传统指标固有的数值发散问题，并间接反映了材料的液化开裂倾向。通过进一步结合与固态开裂相关的变形应力和强化差异因素，构建了一个连续的L-DED开裂倾向图。新判据的计算不依赖于商业热力学软件，因此可以用于指导镍基超级合金的高质量增材制造和修复中的材料选择及高通量成分设计。