摘要：据悉，鞍钢集团北京研究院有限公司、清华大学与北京动力机械研究所的科研人员报道了镍基高温合金增材制造的进展：材料、加工、微观结构、性能及合金设计。相关论文以“Progress in additive manufacturing of nickel-based s
长三角G60激光联盟导读
据悉，鞍钢集团北京研究院有限公司、清华大学与北京动力机械研究所的科研人员报道了镍基高温合金增材制造的进展：材料、加工、微观结构、性能及合金设计。相关论文以“Progress in additive manufacturing of nickel-based superalloys: materials, processing, microstructures, properties and alloy design”为题发表在《Rare Metals》上。
在航空航天材料的增材制造（AM）领域已经取得了显著进展，这主要是受到对具有复杂几何形状的整体构件和高价值部件小批量生产需求的驱动。镍基高温合金是航空发动机高温承力部件的关键材料，由于其高硬度，在复杂零件制造方面提出了重大挑战。镍基高温合金的增材制造加工因其在制造自由度和缩短制造生命周期方面的独特优势而受到广泛关注并取得了快速进展。尽管对镍基高温合金的增材制造进行了广泛研究，但由于镍基高温合金种类繁多且增材制造工艺参数复杂，相应的结果和结论较为分散。因此，仍然迫切需要全面深入地理解镍基高温合金的增材制造加工与其微观结构和力学性能之间的关系。
本综述介绍了用于高温合金的四种主要增材制造技术的加工特性，并总结了热处理前和后（态）的微观结构和力学性能。此外，本综述还介绍了专门为增材制造加工而设计的创新型高温合金，并对材料开发和性能提升提出了见解，旨在为镍基高温合金的增材制造加工提供有价值的评估，并为未来的研究提供有效指导。
图1. 金属增材制造（MAM）类别及相应不同工艺的示意图。
图2. a 与增材制造镍基高温合金相关的金属增材制造技术百分比；b 各类高温合金的百分比。
图3. 通过金属增材制造制造的航空发动机中的IN718部件：a 燃烧室衬套；b 包含122个喷射器组件的火箭发动机喷嘴；c 叶轮。
图4.a SLM（选区激光熔化）成形的Haynes 282合金的熔池光学显微镜（OM）图像和b 熔道。c, d 显示SLM成形的CM247LC合金中沿构建方向典型柱状微观结构的SEM（扫描电子显微镜）图像；e SLM成形的CM247LC合金中沿构建方向的强{100}织构及低/高角度晶界（白线：> 2°的低角度晶界；黑线：> 10°的高角度晶界）。f 显示SLM成形的IN713LC合金三个平面上晶粒取向的EBSD（电子背散射衍射）图像。g DLD（直接激光沉积，类似于LENS）成形的IN718合金中一个熔池的放大EBSD视图，显示底部为柱状晶，顶部为等轴晶；h 凝固熔池内“柱状晶到等轴晶转变（CET）”示意图。微观结构分析揭示了沿Z方向的等轴-柱状转变。i EBMed（电子束熔化成形）的IN718合金顶表面。j DLDed的IN718合金邻近基板的区域。
图5.镍基高温合金中的位错结构显示
图6.SLMed IN718的断裂表面：a1 原始制造态（as-built），a2 HIP（热等静压，1180 °C/3 h，150 MPa）态，a3 HIP + 均匀化（1065 °C/1 h/AC，空冷）+ 时效态。b1-b4 SLMed Haynes282在固溶（1135 °C/1 h/WQ，水淬）+ 时效态下的拉伸断裂表面纵截面。DLDed IN100在 c1-c3 原始制造态和 d1-d3 固溶 + 时效态下的拉伸断口形貌。
图7.a1 SLMed IN718在HIP + 固溶 + 双时效状态下的蠕变断裂表面显示出环境侵蚀的迹象。具有沿晶断裂特征的明显梯度氧化区在a2, a3中放大显示。一个更均匀氧化的区域在a4, a5中放大显示。b1-b3 锻造成形IN718的蠕变断裂表面显示出对环境侵蚀不敏感的更具延性的断裂证据。SLMed IN718在 c1 蠕变前和 c2 蠕变后的EBSD图。锻造成形IN718在 d1 蠕变前和 d2 蠕变后的EBSD图显示了孪晶界分布（红色）。SLMed IN718在 e1 固溶 + 双时效和 e2 均匀化 + 双时效状态下的SEM图像，显示在析出δ相和Laves相的晶界处存在蠕变空洞。SLM成形的Haynes 282在固溶 + 两步时效状态下的蠕变断裂表面显示 f1 水平取样方向的试样比 f2 垂直取样方向的试样具有更差的延性断裂。g1, g2 SEM图像显示经过蠕变的SLMed IN738LC在固溶 + 时效状态下的沿晶断裂模式。
图8.a1, a2 原始Hastelloy X粉末的SEM图像，显示球形颗粒形态；a3 TiC团簇图像及粒度分布；a4 通过球磨获得的TiC纳米颗粒包覆Hastelloy X粉末的高倍率SEM图像。b1, b2 原始及通过SLM制造的TiC增强CM247LC的OM图像，显示裂纹和微孔。c1, c2 原始及通过SLM制造的TiC增强Hastelloy X的EBSD图像，显示低角度和高角度晶界的分布。d1-d3 拉伸测试后TiC增强CM247LC的TEM（透射电子显微镜）图像，显示TiC纳米粒子引起的高密度缠结位错。e1 TiC/γ界面的TEM图像；e2, e3 高分辨率TEM图像显示共格的TiC/过渡区以及半共格的过渡区/基体相界。
在本综述中，介绍并分析比较了用于高温合金的四种主要金属增材制造（MAM）技术，即SLM、DLD、EBM和DEBD（推测DEBD可能为笔误，或指某种电子束技术，通常EBM是主流）。它对镍基高温合金的可打印性进行了全面回顾，并总结了当前研究中为解决已识别缺陷而提出的解决方案。这些信息为未来的研究提供了宝贵的参考。本文还详细审查了原始制造态和热处理后的微观结构，并基于深入的微观结构分析讨论了它们相关的力学性能。得出的结论是，要实现密度和力学性能的增强，必须在加工参数和合金成分之间取得适当的折衷。在本文的最后一部分，我们介绍了专门为金属增材制造技术设计的创新型镍基高温合金，并讨论了增材制造独特特性带来的合金设计潜力。
在当前情况下，合金成分与增材制造加工特性之间存在显著的不匹配，这在大多数现有镍基高温合金中带来了严重的开裂问题。SLM和DLD加工过程中大的热输入和快速凝固产生了细晶微观结构和高密度位错，这有助于获得优异的室温力学性能。然而，通常采用固溶处理来减轻合金元素的偏析，这会部分或完全消除原始制造态的微观结构。同时，SLM和DLD高温合金表现出较差的高温蠕变性能，极大地限制了它们的应用。EBM/DEBD技术以高温预热和大量热输入为特点，赋予镍基高温合金良好的成形性以及优异的室温和高温力学性能。不幸的是，相关的成本和高能耗使得该技术不适合大规模生产。因此，未来的研究应首先侧重于对金属增材制造加工特性的全面深入研究，并且必须提出整合多因素的合金设计标准以用于开发新型高温合金。在这方面，机器学习可以提供重要帮助。由于涉及参数众多，增材制造零件表现出质量分散性。将数据驱动的机器学习应用于质量评估和加工参数优化，可以避免大量的实验以及相关的材料、时间和计算模拟的高成本。目前，一些研究已采用高斯过程回归（GPR）算法来准确预测材料物理性质和打印参数对熔池结构特性及热历史的影响，这成功地拓宽了工艺窗口并提高了金属零件的整体成形质量。其次，必须开发专门针对增材制造微观结构的新型热处理方法，这些方法不仅应充分利用原始制造微观结构的固有优势，还应有效减轻其劣势。第三，应通过改进工艺或后续热处理来避免或消除SLM或DLD加工固有的某些制造缺陷，例如微孔和严重偏析，以提高其较差的蠕变性能。第四，提高EBM/DEBD技术的制造效率并降低其成本将显著推进金属增材制造技术的工程应用。最后但同样重要的是，建立一个能够定量描述合金成分、加工参数、微观结构和力学性能之间关系的模型，可以大大加速增材制造技术在高温合金领域的进步。
DOI
·https://doi.org/10.1007/s12598-025-03247-5
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来源：江苏激光联盟