摘要：镍基高温合金应用需求：航空航天领域核心部件（如涡轮盘、叶片）需高性能材料，但传统制造技术难以满足复杂构件需求。增材制造（AM）优势与局限性：AM技术实现轻量化、高自由度制造，但存在微观结构不均（晶粒形态、元素偏析、析出相分布）及冶金缺陷（裂纹、气孔）。
主要作者：Jinguo Li*， Jingjing Liang*，Liming Lei*
第一单位：中科院金属所
发表期刊：Journal of Materials Science & Technology
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.03.010
1.1 背景与挑战
镍基高温合金应用需求：航空航天领域核心部件（如涡轮盘、叶片）需高性能材料，但传统制造技术难以满足复杂构件需求。增材制造（AM）优势与局限性：AM技术实现轻量化、高自由度制造，但存在微观结构不均（晶粒形态、元素偏析、析出相分布）及冶金缺陷（裂纹、气孔）。Fig. 1. Application of additive manufacturing in metal materials
关键问题：热循环导致力学性能各向异性，高Al/Ti含量合金易形成热裂纹，熔池动态行为复杂引发孔隙缺陷。Fig. 2. Heterogeneity of microstructure and properties of AM nickel-based superalloys
1.2 解决方案
能量场辅助AM：引入热场（TF）、超声场（UF）、磁场（MF）调控熔池凝固过程，提出“性能-机制-能量场-混合制造”框架（图3）。Fig. 3. Thought process of hybrid additive manufacturing based on energy fields assistance
2.1 热场（Thermal Field, TF）
机制：通过基板预热（电阻/感应加热）或辅助热源（激光/电弧）降低温度梯度，改善熔池润湿性（图4）。Fig. 4. Thermal field assisted additive manufacturing
作用：减少热应力，延缓裂纹形成，扩大工艺窗口（如IN738LC在700°C预热下实现无裂纹打印）。2.2 超声场（Ultrasonic Field, UF）
机制：空化效应（气泡溃灭产生高压高温）、声流效应（熔池流动调控）、晶粒细化。应用方式：超声振动基板（UVS-AM）：通过基板传递振动，改善熔池填充。非接触超声（NCU-AM）：优化声波角度，促进气泡逸出（图5b）。Fig. 5. Effects of UF on the melt pool dynamics
2.3 磁场（Magnetic Field, MF）
电磁制动（EMB）：抑制熔池自然对流，减少飞溅和气孔（图6a-d）。热电磁对流（TEMC）：通过洛伦兹力驱动熔体流动，减少元素偏析（图6e-g）。Fig. 6. Magnetic field mechanism diagram in additive manufacturing process
磁场类型：静磁场（抑制对流）、交变磁场（电磁搅拌）、脉冲磁场（动态调控）。Fig. 7. (a–c) Solidification crack, liquation crack, and ductility dip cracking
3.1 热场（TF）
裂纹控制：高温预热（>1000°C）消除IN713LC、K417G的液化裂纹和延性倾角裂纹（图9）。Fig. 9. Effect of thermal field on the cracking of AM nickel-based superalloys
孔隙抑制：预热温度500-700°C降低熔池黏度，促进气泡逸出；过高温度（>900°C）可能加剧气孔（图10）。Fig. 10. Effect of TF on the porosity and melt pool
3.2 超声场（UF）
孔隙减少：空化效应释放气泡（如IN718孔隙率降低30%），声流效应增强熔体填充（图12）。应用限制：超声强度随高度衰减，需优化振幅（25-41kHz）与作用距离（图11）。Fig. 11. Ultrasonic vibration assisted LDED process
Fig. 12. Ultrasonic vibrating the substrate bottom during AM
3.3 磁场（MF）
熔池稳定性：静磁场（0.2T）抑制飞溅，提升IN718致密度（图14）。缺陷调控：平行磁场方向优化元素分布（如Nb偏析减少20%），垂直磁场抑制枝晶粗化（图13）。Fig. 13. Forming quality of nickel-based superalloy by MF assisted AM
Fig. 14. Magnetic field-assisted LPBF superalloys
4.1 热场（TF）
晶粒取向：降低温度梯度促进等轴晶生长（如HX合金等轴晶占比提升至60%）。析出相分布：预热延缓γ'相析出，减少晶界碳化物（如IN738LC晶界脆性相减少50%）。Fig. 15. Effect of TF on the microstructure of AM nickel-based superalloys
4.2 超声场（UF）
晶粒细化：空化效应促进形核（GH3039晶粒尺寸从200μm降至50μm），声流打破枝晶生长（图11a）。偏析改善：熔池流动增强元素均匀性（如Al/Ti偏析降低15%）。Fig. 16. Grain characteristics of AM superalloy at different preheating temperatures
4.3 磁场（MF）
枝晶调控：电磁力抑制枝晶粗化（IN718枝晶间距缩小至20μm），促进等轴晶形成。元素分布：交变磁场搅拌熔体，降低Nb/Mo偏析（如CM247LC偏析率减少25%）。Fig. 17. Microstructure comparison of AM superalloys with and without UF
5.1 各向异性改善
热场：降低垂直方向力学差异（如IN718横向延伸率提升至12%）。超声/磁场：细化晶粒（GH5188强度提升15%）与均匀析出相增强各向同性。Fig. 18. Magnetic field assisted AM to control the microstructure of the superalloy
5.2 强度与延展性
超声场：晶粒细化提高强度（GH3039屈服强度达850MPa）。磁场：减少气孔和裂纹提升疲劳寿命（IN718疲劳强度提高20%）。Fig. 19. Regulation of printability in AM nickel-based superalloys by electric pulse-assisted ultrasonic field modification technology
6.1 多场耦合机制
交互作用复杂性：超声与磁场可能相互抵消（如声流与电磁搅拌竞争）。理论模型缺失：缺乏多场协同调控的统一模型（如热-磁-声耦合数值模拟）。Fig. 20. Effect of Lorentz force direction on porosity during electromagnetic composite field-assisted AM process
6.2 技术限制
热场：高温预热对设备要求严苛（如LPBF需>1000°C加热腔体）。超声场：能量衰减限制大尺寸构件应用（有效作用高度磁场：静磁场对熔池流动抑制效果有限（需>1T高强度磁场）。Fig. 21. Effect of multi-energy field coupling on printability of AM superalloys
6.3 理论研究不足
熔池动态行为：空化气泡运动与枝晶生长的实时观测困难。跨尺度建模：熔池宏观流动与枝晶微观结构的耦合模拟尚未实现。Fig. 22. Effect of electromagnetic field-assisted LC on the microstructure of superalloys
7.1 多场协同调控
复合能量场设备：开发热-超声-磁复合能量场AM设备，优化协同参数（如预热+超声同步作用）。功能梯度材料：探索能量场在镍基梯度材料（如IN718-CM247LC）中的应用。7.2 模型与仿真
多物理场耦合模型：建立相场-流体力学耦合模型，预测γ'相分布与裂纹形成。数据驱动优化：结合机器学习与实验数据，实现能量场参数智能匹配。Fig. 23. Effect of ultrasound-electromagnetic composite field-assisted laser cladding process on the microstructure of alloys
7.3 工程应用
大型构件制造：开发适用于航空发动机叶盘的能量场辅助AM工艺。工业化推广：推动高γ'含量合金（如CM247LC）的工业化量产。Fig. 24. Regulated mechanical properties of superalloys by multi-energy fields-assisted AM
能量场辅助AM优势：热场抑制裂纹，超声场优化孔隙，磁场改善偏析，三者协同可实现高性能镍基合金制造。研究方向：聚焦多场耦合机制、跨尺度建模及工程化应用，推动航空航天关键部件制造技术革新。Fig. 25. Advantages and limitations of various energy field-assisted AM processes
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长三角G60激光联盟陈长军转载
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