摘要：本研究通过在激光粉末床熔融（LPBF）制备的 Haynes 230 合金中添加微量镧（La），有效缓解了裂纹抑制引发的高温塑性损失问题。La的引入显著提升了合金在室温和高温下的力学性能，HIP处理后在 900°C 的伸长率显著增加。性能改善源于复合析出相、纳米
第一作者：王优
通讯作者：张宏强,郭伟
通讯单位：北京航空航天大学机械工程及自动化学院
论文DOI：https://doi.org/10.1080/17452759.2025.2504079
1.全文速览：
本研究通过在激光粉末床熔融（LPBF）制备的 Haynes 230 合金中添加微量镧（La），有效缓解了裂纹抑制引发的高温塑性损失问题。La的引入显著提升了合金在室温和高温下的力学性能，HIP处理后在 900°C 的伸长率显著增加。性能改善源于复合析出相、纳米孪晶和均匀分布的La₂O₃析出物，这些结构抑制位错滑移并增强塑性。DFT计算揭示La₂O₃与基体间非晶界面可钉扎位错源。研究为 LPBF Haynes 230 合金的高温服役优化提供了新思路。
2.研究背景：
Haynes 230镍基高温合金具有优异的高温强度和热稳定性，适用于工作温度达1000 ℃的热端部件。针对航空热端部件结构复杂的特点，LPBF技术以其高精度、设计自由度高、材料利用率高等优势，成为制造复杂零部件的理想手段。但在 LPBF制备Haynes 230合金过程中，易出现微裂纹，限制其应用。尽管已有添加Mo、TiB₂、Nb等元素以抑制裂纹的研究，但这些方法常伴随性能下降或工艺局限，如强度与塑性难以兼顾、纳米陶瓷分布不均、组织劣化等问题。热等静压（HIP）处理虽可修复裂纹，但也可能引发偏析和粗大析出物，影响高温性能。近年来，稀土元素特别是La因其在晶界形成稳定氧化物、促进晶粒细化、提升抗氧化性和延展性等优势，在高温合金中的应用逐渐增多。但其具体作用机制尚不明确。本研究在 Haynes 230 合金中添加 0.5 wt.% La，通过LPBF制备与HIP处理，系统研究其对裂纹抑制及高温拉伸性能的影响，旨在解决高温塑性损失问题，并为增材制造高温合金的组织调控与性能优化提供理论依据与技术支持。
3.本文亮点：
(1) 本研究首次研究添加La元素的LPBF-Haynes 230合金高温性能并解决其塑性损失问题。
(2) 复合析出相、纳米孪晶和层错的形成有效增强了合金的高温力学性能。
(3) La₂O₃析出物在基体中弥散分布，有效钉扎位错滑移，从而提升高温强度。
(4) DFT计算显示La₂O₃与基体界面形成非晶层，生成Frank–Read位错源提升高温延展性。
4.图文解析：
图1. (a) 粉末形貌；(a1) 粒径分布。(b) LPBF设备示意图；(b1) 沉积态下的微裂纹分布。(c) HIP原理图；(c1) HIP态下的微裂纹抑制。(d) 高温拉伸试验设备；(d1) 高温拉伸试样。
图2. Ni 基体与 La₂O₃ 界面模型
本研究首先介绍了LPBF制备La添加Haynes 230合金粉末和实现裂纹抑制的工艺过程，并建立Ni基体与La2O3界面模型开展密度泛函理论计算，以验证界面平均电荷分布规律特性。试验部分开展了不同温度下拉伸性能测试，与沉积态相比，高温力学性能得到显著提升。
图3. (a) 原始组分与改性组分在23 °C下HIP样品的应力-应变曲线；(b) 沉积态样品的高温拉伸应力-应变曲线；(c) HIP样品的高温拉伸应力-应变曲线；(d) 沉积态与HIP态样品高温拉伸性能的统计对比图；(e) 本研究中Haynes 230合金与其工业标准在900 °C下力学性能的对比图。
基于获得的不同温度下的拉伸性能，阐明了不同温度下微观组织演变与断裂失效行为分析。确定复合析出相、不同组态孪晶界的生成以及纳米颗粒的弥散分布成为性能改进的主要作用因素。
图4. (a–a1) LPBF态下23 °C的孪晶分布图、极图（PF）与取向图（IPF）；LPBF+HIP态下孪晶分布图、PF与IPF图：(b–b1) 23 °C；(c–c1) 500 °C；(d–d1) 700 °C；(e–e1) 900 °C；
(f–f1) 1100 °C。(g)孪晶体积分数统计图；(h) 织构强度统计图。
图5. (a)-(a1) 23 ℃、(b)-(b1) 500 ℃、(c)-(c1) 700 ℃、(d)-(d1) 900 ℃ 和 (e)-(e1) 1100 ℃ 条件下的拉伸断口侧表面形貌、放大图像及断口区域附近的晶粒取向分布图。
图6. 断裂区附近的微观组织：23 °C下：(a) 复合析出相；(a1-a3) (a)中位置1-3的晶面间距及SAED图；(a4) 位置1析出相的放大图。900 °C下：(b) 复合析出相的形貌；(b1) 复合析出相的界面微观组织；(c) 复合析出相的高倍图及(c1) EDS分布图；(d) 纳米复合析出相及(d1) EDS分布图；高分辨图：(d2)位置8；(d3)位置9；(d4)位置10；(d5) 孪晶SAED图。
图7. La元素添加对微观组织演化的作用机制：(a) La₂O₃的弥散强化机制；(b) 差分电荷图与平面平均电子密度叠加图；(c) 二维差分电荷图；(d) 位错滑移与La₂O₃之间的相互作用与增殖机制。
5．总结与展望：
本研究系统研究了裂纹抑制后采用激光粉末床熔融（LPBF）制备的 Haynes 230 合金的高温性能。首次通过添加镧（La）元素成功解决了该合金高温塑性损失的问题，并建立了其高温微观组织演化与力学性能之间的关联。主要结论如下：
（1）经HIP处理后，添加La的沉积态样品在室温下的延展性显著提高，伸长率提升27.2%，高温强度提高6%；在 900 °C下，伸长率由15.6% 显著提升至60.4%。
（2）随着变形机制的转变，基体中形成大量复合析出相，并伴随纳米级孪晶与层错的产生。此外，形成了具有不同晶界结构的退火孪晶，层错在穿越退火孪晶界面时发生明显方向变化，共同促进了塑性的提升。
（3）随着温度升高，位错密度降低，La 易与氧结合形成热稳定的 La₂O₃ 粒子。DFT 计算证实，在 La₂O₃与基体界面处形成了非晶层，有利于位错增殖。La₂O₃ 粒子的均匀弥散显著提高了合金在900 °C 下的延展性，温度调控也促进了 La₂O₃ 的析出行为。
（4）合金的强化机制主要源于复合析出相、退火孪晶界以及均匀分布的La₂O₃粒子三者协同作用，共同抑制了位错运动。
通讯作者：郭伟
郭伟，北京航空航天大学教授，博士生导师。主要从事航空航天关键结构激光冲击强化、增材制造、焊接等研究。在Acta Mater.、J. Mater. Sci. Technol.、Addit. Manuf.、Corros. Sci.、Int. J. Fatigue等国内外期刊发表SCI学术论文200余篇，授权/公开国家发明专利50余项，主持国家重大科技专项、科工局基础科研重大项目、国防科工局核专项、国家自然基金项目、MJ科研课题、LJ专项课题、工信部智能制造专项课题等科研项目30余项。获得中国机械工业学会特等奖，中国能源研究会能源创新奖一等奖，中航发集团科学技术进步奖二等等奖励。担任全国光辐射安全和激光设备标准化技术委员会委员、中国机械工程学会焊接学会压力焊专业委员会委员、焊接性及焊接材料专业委员会委员、青年工作委员会委员，先后培养40余名博士和硕士研究生。
通讯作者：张宏强
张宏强，北京航空航天大学副教授，博士生导师。主要从事航空航天关键结构增材制造、钎焊及扩散焊、芯片封装及微纳制造等研究。在PNAS、AMI、JMST、AM、CS等国内外期刊发表SCI学术论文100余篇，授权/公开国家发明专利30余项，参与撰写专著1部，其研究成果获评《Nature》期刊十大亮点研究论文。主持国家自然科学基金青年及面上、江西省面上基金、航空基金、国家重点研发子课题等10余纵向项目。
第一作者：王优
王优，北京航空航天大学在读博士，师从郭伟教授、张宏强副教授。主要从事激光增材制造研究。已在JMST、AM、JAC等学术刊物发表SCI论文，授权/公开国家发明专利10余项，参与国防基础科研计划项目、国防科工局科研项目等项目研究工作。曾获得“国家奖学金”、 “JMST年度优秀论文”等荣誉。
7．引用文本
Wang Y, Guo W, Li H X,CuiHY,HanP PZhao D, Li S J, Li Y L, Huang S,Zhang H Q,High-temperature plasticity improvement by La addition during crack inhibition in laser powder bed fusion fabricated Haynes 230[J],Virtual and Physical Prototyping, 202520:2504079.
来源：CEO扒科学