单智伟课题组Adv.Mater ：3D打印单晶高温合金领域取得突破

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利用同步辐射微衍射、透射电镜等先进表征技术，西安交大材料学院单智伟研究团队从微观结构演化的规律入手，为3D打印单晶高温合金定制了热处理制度，解决了单晶叶片3D打印修复后的再结晶问题，并提出了高温合金塑性变形回复的新机制。
       航空发动机的叶片由成本昂贵的单晶镍基高温合金制成。由于服役环境苛刻，单晶叶片容易受到局部损伤，发展可靠的叶片修复技术对航空发动机延寿、降成本至关重要。3D打印凭借其“精准定位、可控增材”的特点在单晶叶片的修复/再制造领域展现出诱人的应用前景。但由于3D打印冷却速度快，容易造成高残余应力、高位错密度的亚稳态微观组织结构。这种亚稳态结构在标准热处理或服役过程中容易发生再结晶，导致材料高温力学性能下降，造成安全隐患。因此急需针对3D打印单晶高温合金目前存在的问题，研发一种新的工艺，使之满足：无再结晶，应力小、位错密度低，且g￠沉淀强化相的形貌、密度与基体高温合金一致。

       高温合金的标准热处理制度一般由固溶、时效组成，实践证明该工艺流程会导致3D打印高温合金发生再结晶。经过系统的文献调研与综合分析，作者们提出并证实在固溶前增加“回复”（Recovery）步骤，可以消除再结晶驱动力。经过“回复-固溶-时效”处理，先是高温合金的残余应力伴随微观组织γ′相的定向粗化而消除，且位错密度可降低至热处理前的5%左右，时效后沉淀强化γ′相达到与铸态基材相同水平。因所发现的现象与高温合金在高温蠕变条件下发生的筏化效应（Rafting）相似，且在事实上起到了回复的效果，故将其命名为“筏化-回复”效应（Rafting-enabled recovery）。此发现突破了经典观念所认为的“单晶高温合金不具备回复能力”的认知，为设计3D打印高温合金的非标准热处理制度提供了科学依据，并表明新的热处理制度完全能满足3D打印单晶叶片修复的需求。
       该研究以《利用“筏化-回复”效应抑制3D打印修复单晶高温合金的再结晶》（“Rafting-Enabled Recovery Avoids Recrystallization in 3D-Printing Repaired Single-Crystal Superalloys”）为题在材料学科权威期刊Advanced Materials上发表(doi: 10.1002/adma.201907164)。西安交通大学材料学院陈凯教授为论文的第一和通讯作者，西安交大单智伟教授，美国麻省理工学院李巨教授，约翰霍普金斯大学马恩教授为论文的共同通讯作者。西安交大材料学院研究生黄润秋、林思聪、朱文欣，长安大学李尧博士，美国劳伦斯伯克利国家实验室Nobumichi Tamura博士等参与研究。研究工作得到国家自然科学基金与国家重点研发计划的支持。
      文章来源：西安交通大学


      单智伟，西安交通大学教授。1996年毕业于吉林大学材料与科学工程专业；1999年在中国科学院金属研究所获硕士学位；2001年赴美就读于美国匹兹堡大学机械工程系并于2005年获博士学位。2005 -2006年在位于美国劳伦兹国家实验室的美国国家电镜中心从事博士后研究工作。2006年加盟世界著名的纳米力学设备制造公司-Hysitron，并先后受聘为资深研究员、真空部门经理和Hysitron公司应用研究中心主任。2008年开始与西安交通大学开展合作，2010年正式加入西安交通大学。教育部“长江学者”特聘教授，国家杰出青年基金获得者，百千万人才工程入选者，亚太材料科学院院士。现任西安交通大学材料科学与工程学院院长。2010年正式全职回国后，先后筹建创立“微纳尺度材料行为研究中心”，“Hysitron中国应用研究中心”及“西安交大-日立研究中心”等三个国际化研究中心和一个省级中心，即“陕西省镁基新材料工程中心”。学术任职包括国务院学位委员会第七届学科评议组（材料科学与工程组）成员，教育部高等学校材料类专业教学指导委员会委员，《中国材料进展》杂志副主编，2018美国材料学会期刊（MRS Bulletin）和《材料科学技术（英文版）》第五届编委会委员，中国电镜学会常务理事及聚焦离子束专业委员会主任，第四届国家新材料产业发展战略咨询委员会战略委员。