摘要：贵州大学、重庆邮电大学、重庆理工大学、贵州省核能部件材料及制造技术重点实验室的科研人员综述报道了难焊高温合金的激光粉末床熔融技术研究进展。相关论文以“Advances in laser powder bed fusion of hard-to-weld sup
长三角G60激光联盟导读
贵州大学、重庆邮电大学、重庆理工大学、贵州省核能部件材料及制造技术重点实验室的科研人员综述报道了难焊高温合金的激光粉末床熔融技术研究进展。相关论文以“Advances in laser powder bed fusion of hard-to-weld superalloys: a comprehensive review”为题发表在《Materials & Design》上。
01
文章亮点
全面评述了激光粉末床熔融成形难焊高温合金的特性。
概述了微观结构特征和缺陷类型。
总结了微观结构控制和缺陷抑制的方法。
指出了传统工艺参数和热处理优化的不足之处。
提出了克服当前限制的创新策略。
航空航天工业对具有优异抗氧化和抗热腐蚀性能的高温合金的需求，推动了对热端部件先进材料的开发。然而，由于这些合金成分复杂，传统的制造技术（如锻造和铸造）面临重大挑战，常常导致加工困难且表面质量不足。激光粉末床熔融（LPBF）作为一种数字化增材制造技术，通过促进难焊高温合金（HWSA）的近净成形，提供了一个可行的解决方案。尽管LPBF已取得显著进展，但其广泛的工业应用仍然有限。为了充分发挥LPBF在生产高完整性部件方面的潜力，本综述系统地考察了微观结构演变、工艺参数、后处理技术与成形质量之间的相互作用。还对在LPBF成形合金中观察到的裂纹类型进行了分类，并提出了缓解策略。此外，本文概述了未来的研究方向，来解决现有局限性并扩大LPBF在航空航天制造中的适用性。
关键词：激光粉末床熔融；难焊高温合金；微观结构特征；工艺优化；后处理；缺陷机理与控制策略
02
部分图文
图1.典型的激光增材制造技术及其特点。
图2.LPBF技术的优势及HWSA在航空航天中的应用。
图3.LPBF过程示意图。
图4.(a)晶体学层状微观结构形成机制示意图；(b)与(a)对应的CLM的SEM图像；(c)显示顶层熔池尺寸的CLM的OM图像。(d)增材制造镍基高温合金微观结构的示意图；(e)不同扫描间距下熔池尺寸的推导结果。
图6.LPBF制造的Inconel 738。
图7.样品的胞状结构SEM图像(a)及统计尺寸分布(b)；LPBF制备的(c)IN738LC、(d)IN738–0.3C 和 (e)IN738–0.6C的HAADF、BF和STEM-EDX图像。
图9.LPBF成形难焊高温合金中的主要裂纹类型。
图11.(a)显示枝晶形态的LPBF IN738LC开口裂纹断口的SEM图像；(b,c)通过LPBF制备的IN738LC中带有液膜的液化裂纹的SEM图像；(d-f)LPBF制备的IN738LC的IPF和EPMA图以及(g-i)IN738–0.3C的IPF和EPMA图。
图12.裂纹形成机制示意图：(a)液化裂纹；(b)凝固裂纹。
图13.(a)凝固裂纹横向于熔池萌发并在更高层中扩展；(b)熔池的一些几何特征；(c)熔池宽度WMP和重熔区高度HRZ作为线性能量El= P/VL和扫描间距hS的函数。
图15.LPBF成形CM247LC的实验表征和模拟示意图：(a)表面裂纹的光学图像；(b)样品的EBSD和TEM测试；(c)模拟层沉积的温度和应力分布云图；(d)确定无缺陷CM247LC合金最佳归一化能量密度的工艺窗口。
图16.LPBF处理的CM247LC样品：(a)重熔线性能量密度Er和重熔扫描策略；(b)不同重熔扫描策略下的SEM显微照片；(c)不同重熔能量密度值下熔池的形状和大小；(d)预扫描/重熔过程中的机制。
图18.LPBF加工HWSA的未来研究展望图。
03
结论/展望
本综述系统分析了关于LPBF成形HWSA的现有研究，重点关注微观结构析出特征、工艺参数和扫描策略的优化、缺陷抑制机制以及后处理增强。目的是探索LPBF技术在制造高质量、高性能HWSA航空航天热端部件方面的潜力。主要发现总结如下：
•由于LPBF的分层制造特性，冷却速率随着沉积方向高度的增加而降低，导致微观结构不均匀性：上层的晶粒较粗大，而下层的晶粒较细小。这种不均匀性进一步导致力学性能的各向异性。晶粒类型（柱状/等轴）由温度梯度G与凝固速率R的比值决定，并可通过优化扫描策略等方式进行调控。
•在析出相方面，γ'相、γ''相等强化相和MC等碳化物对LPBF成形HWSA的性能至关重要，而Laves相和η相等有害相则会降低塑性并增加裂纹敏感性。
•孔洞缺陷包括未熔合孔（由于粉末熔化不足和气体卷入形成）和匙孔孔洞（由高激光能量密度引起）。可以通过优化工艺参数或调整成分（添加碳）来减少孔隙率，但很难完全避免裂纹。
•凝固裂纹源于凝固末期糊状区的收缩应力，该应力破坏了枝晶间液膜并沿大角度晶界扩展。液化裂纹与元素偏析（Al和Ti的富集）引起的低熔点共晶相形成有关，以及在热应力作用下沿晶界液膜的裂纹。可以通过调控体积能量密度、优化扫描策略和调整成分（控制Al/Ti含量、添加碳）来实现裂纹控制。
•不同HWSA的LPBF加工工艺参数差异显著，且不存在通用的优化模型。扫描策略影响致密度：“往复”扫描（具有67°层间旋转）通过均匀热流将致密度提高至99.34%，而岛状扫描由于局部热输入过多往往诱发更多孔洞。熔池尺寸和重叠率与裂纹形成相关，窄熔池和高重叠率可减轻裂纹。扫描速度调节热输入；重熔策略（对角线重熔）可以减少元素偏析和缺陷。热处理后形成的M23C6碳化物同时具有强化和脆化作用；然而，传统热处理无法完全消除残余应力，并且容易诱发有害拓扑密堆相的析出。
以上总结清晰地概述了LPBF成形HWSA在微观结构特征、析出相、缺陷形成、工艺响应性以及热处理方面的核心问题。这些问题包括微观结构不均匀性引起的性能各向异性、有害相导致的塑性降低和裂纹敏感性增加、难以完全消除孔洞和裂纹等缺陷、工艺参数适应性存在显著差异以及传统热处理方法的局限性。这些问题共同构成了阻碍该工艺广泛应用和材料性能提升的主要瓶颈。为了应对这些瓶颈，未来的研究方向已在材料设计[49]、工艺优化[122]、光束整形[128]、监测与控制[50, 129]、机理探索[130]和性能扩展[39, 131]等方面提出。这为克服现有限制、推进LPBF技术在HWSA领域的深入应用提供了一个系统的解决方案框架（图18）。
•HWSA的陶瓷颗粒增强复合材料。采用陶瓷增强的金属基复合材料（MMCs）进行LPBF有助于细化微观结构、增强界面结合、减少缺陷，并显著提高复合材料力学性能。目前大多数LPBF制造的陶瓷增强复合材料使用铝基或铁基基体。这种方法——摆脱传统的化学元素调控——可为硬质难焊高温合金中陶瓷颗粒复合材料的LPBF加工提供参考。未来的关键研究将侧重于强化机制和界面反应。
•多物理场尺度模拟。HWSA在LPBF过程中由于溶质偏析和热应力集中而易产生裂纹。通过微观-介观-宏观耦合进行多物理场尺度模拟可以避免传统实验的持续试错。未来的研究将侧重于从理论角度揭示缺陷形成机制，并通过模拟抑制缺陷。
•光束整形结合原位监测。在LPBF成形HWSA的过程中，集中的激光能量容易导致局部过热，引起孔洞或热裂纹。光束整形通过控制能量密度梯度来降低熔池中的温度梯度和热应力；同时减少快速凝固产生的孔洞，并抑制晶界偏析和低熔点相的析出，从而减少凝固裂纹。当与原位监测结合时，这种方法能够自适应调整激光能量以减轻微观结构不均匀性。
•参数优化结合机器学习。针对HWSA的非平衡凝固，将机器学习与熔池数据采集相结合，能够调整激光参数，识别最佳能量密度范围，并抑制元素偏析和热裂纹。这种方法可以克服传统试错法的局限性，并高效绘制复杂的工艺窗口。
•极端工况下的性能表征。LPBF成形的HWSA用于航空航天热端部件。除了传统的高强度要求外，实际服役条件需要耐磨性、耐腐蚀性等性能。未来的研究应扩展在极端服役条件下的高温耐磨性、耐腐蚀性和抗冲击性能的测试，以进一步延长其使用寿命。
长三角G60激光联盟陈长军转载
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来源：江苏激光联盟