摘要：最新发表于《AddiTive Manufacturing》的顶级综述，系统梳理了PBF-LB工艺下难打印γˈ镍基高温合金的关键难题与解决思路，为增材制造高性能合金零件提供理论支撑和实践参考。
最新发表于《AddiTive Manufacturing》的顶级综述，系统梳理了PBF-LB工艺下难打印γˈ镍基高温合金的关键难题与解决思路，为增材制造高性能合金零件提供理论支撑和实践参考。
《Additive Manufacturing》刊登了滑铁卢大学Pablo D. Enrique等人的综述成果：Laser powder bed fusion of difficult-to-print γˈ Ni-based superalloys: a review of processing approaches, properties, and remaining challenges，文章系统全面地总结了激光粉末床熔融（PBF-LB）技术加工难打印γˈ相强化镍基高温合金的研究进展，系统分析了该类合金因高γˈ含量和复杂成分导致的热裂倾向及其在成形过程中常见的凝固裂纹、液化裂纹、时效应变裂纹和延展性骤降裂纹等缺陷。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2025.104811
#增材制造#镍基高温合金#3D打印#增材制造裂纹
增材制造镍基高温合金粉末定制
内容简介
文章总结了三种主要的裂纹缓解策略：工艺参数优化（如降低激光能量密度、提高扫描速度、优化熔池形状）、合金成分设计（控制Hf、Zr等元素含量及微合金化），以及后处理热处理（如热等静压处理与快速升温固溶处理）。
此外，文中还探讨了诸如脉冲激光源、高温预热、分形扫描策略等先进技术手段对组织调控与裂纹抑制的积极作用，并对PBF-LB制备γˈ合金在低温性能优异、高温性能尚存差距的表现进行了深入对比。
图1 粉末床熔融镍基高温合金的问题与挑战
γˈ相合金的组织与强化机理
大多数高温镍基高温合金之所以具有优异的高强度性能，主要归因于其组织中形成了有序、共格的γˈ相Ni~3~(Al, Ti)析出物。
根据具体合金成分，γˈ相还可能掺杂其他元素，例如Ta、Nb和Hf。这些合金通常依据其在平衡状态下所含γˈ相的质量分数进行分类，可分为低γˈ合金、中等γˈ合金，以及高γˈ合金。
对于经历过超固溶处理（即高于γˈ相固溶温度的热处理）并随后进行时效处理的高γ′合金，会在γ（Ni）基体中析出次级立方状γˈ相（如图2所示）。这些析出物能够显著阻碍位错运动，其机制主要包括：位错穿越有序γˈ结构时需形成反相边界（antiphase boundaries），以及位错交滑移过程中被锁定的现象。
γ通道中还可形成球状的三级γˈ相，从而产生双峰的γˈ尺寸分布，进一步增强对位错运动的阻碍作用。
若合金采用的是亚固溶热处理（即在γˈ固溶温度以下进行固溶处理）而非超固溶热处理，则在制造过程中及升温阶段形成的初级γˈ相会保留在组织中。经过亚固溶处理后的γˈ相往往形貌不够均一，且尺寸通常较大。
图 2 γ′型镍基高温合金在高于γ′固溶温度的溶液处理及后续时效处理后的显微组织示意图
PBF-LB γˈ合金的缺陷类型及机理
气孔缺陷：包括"未熔合孔隙"（因激光能量不足，粉末未完全熔化）和"匙孔孔隙"（因能量过高，熔池剧烈波动，形成气泡）。
裂纹缺陷则更复杂，包括：凝固裂纹（solidification cracking）、液化裂纹（liquation cracking）、应变时效裂纹（strain-age cracking）、韧性降低裂纹（ductility dip cracking）等这些裂纹可能出现在完全固态（称为冷裂纹）或存在液相时（称为热裂纹）。
凝固裂纹主要发生在"糊状区"，即液-固共存区域。由于合金元素在晶界偏析，易形成低熔点的液膜。在冷却和凝固过程中产生的热拉伸应力促使这些弱区域开裂。高冷却速率、液相高黏度、或二次相形成都抑制裂缝回填，加剧裂纹扩展。
液化裂纹则出现在已凝固区域的再加热阶段。当熔池在后续扫描中加热相邻区域，若该区域含有低熔点相，将发生局部熔化，造成强度丧失，在热拉应力下引发裂纹。
应变时效裂纹一般出现在PBF-LB后续热处理阶段。γˈ相析出造成体积变化、晶格失配和原始残余应力叠加，最终在某些脆弱区域形成裂纹。
韧性降低裂纹发生在固态范围，且集中在固相线（Ts）与0.5Ts之间的温度区间。其本质为类似蠕变行为，沿晶界形成位错积聚和应变集中，最终促使空洞连接成裂纹。
对于PBF-LB γˈ镍基高温合金，裂纹类型的预测通常依据固化温度范围进行，尤其是受到微量元素（如B、Zr）的影响显著。有研究表明合金的"Al+Ti"含量与应变时效裂纹倾向密切相关，另有学者结合Cr+Co含量提出综合预测模型。
目前，对这类合金的研究聚焦于优化PBF-LB工艺参数、后处理（如热处理）以及合金成分的适应性调整。工业界已逐步实现了如IN738、IN939等合金的参数发布，部分设备厂商已发布了打印工艺规范，显示技术逐步走向成熟。
图3 诱发裂纹形成的主要原因
图4 A:液体诱导裂纹愈合过程示意图; B:LIH前后IN738LC中的缺陷; C:HIP对CM247LC裂纹闭合的影响; D:对IN738LC进行固溶时效热处理
参数优化降低裂纹风险
首先，降低体积能量密度（VED）可形成更浅更宽的熔池，减少热应力集中和凝固裂纹风险；同时，高扫描速度、低激光功率、较小的道间距和层厚，有助于减小熔池体积与热影响区，从而降低裂纹密度。
此外，优化熔池重叠率可促使微裂纹在后续扫描中被"愈合"，而控制冷却速率则影响微观偏析行为，避免形成富集低熔点元素的脆弱晶界，从源头减少液化裂纹的发生。
参数控制还可显著影响晶粒尺寸与织构，细晶组织能有效分散局部应变，应力分布更均匀，从而降低热裂纹发生率。总体而言，通过调整激光能量输入与扫描策略，可在不牺牲致密度的前提下，显著抑制γˈ合金在PBF-LB过程中的多类裂纹形成，为实现其高可靠性增材制造提供了关键工艺基础。
图5 熔池宽深比和熔池曲率对优先晶粒生长方向及富集中心线形成的影响
图6 显示VED对含和不含Y2O3的Ni-8Cr-5.5Al-1Ti裂纹密度影响的图表，来自、IN939、CMSX-486和CM247LC的两个IN738LC数据集。每个图表对应一种不同的材料，不同的数据集和添加剂按颜色和形状分隔。数据被归一化为最高裂纹密度以供比较。
图7 图表显示了功率对Ni-8Cr-5.5Al-1Ti、IN738LC（红圈、绿圈）、CM247LC裂纹密度的影响，以及速度对Ni-8Cr-15Al-1Ti、IN738F和IN939裂纹密度的影响。数据被归一化为最高裂纹密度以供比较
合金成分设计与创新
传统的γˈ镍基高温合金最初是为铸造设计，并不适用于PBF-LB这类快速凝固的熔融工艺。为解决这一适应性问题，研究者尝试通过调控微量元素含量来降低合金的裂纹敏感性，尤其聚焦于那些影响凝固行为、晶界特性和熔池回填能力的元素，如Hf、Zr、Al、B等。
对于CM247LC等高γˈ合金，Hf元素虽能在铸造中促进共晶相形成、提升回填能力，但在PBF-LB中却因快速凝固导致低熔点液膜集中富集于晶界，反而加剧裂纹形成。因此，一些研究通过减少Hf含量成功缩小了合金的凝固温度区间（即"糊状区"），有效降低了凝固裂纹的发生率。
图8 显微照片显示了化学改性对CM247LC开裂的影响
力学性能现状与应用前景
图9 四种最常见的PBF-LB镍基高温合金的屈服强度、极限强度和伸长率
尽管通过激光粉末床熔融（PBF-LB）工艺成功制备了γˈ镍基高温合金构件，并在缺陷控制与组织调控方面取得显著进展，但其高温蠕变与疲劳性能仍难以与传统定向凝固或单晶铸造材料媲美，主要受限于细小晶粒带来的高晶界密度、残余应力残留及γˈ析出控制不足。
然而，在室温至中温范围内，PBF-LB构件表现出优异的屈服强度与延展性，结合其可实现复杂结构设计与精细微结构控制的独特优势，使其在航空发动机热端部件、高性能涡轮、隔热结构等领域展现出巨大应用潜力。
当前已有多个工业项目和厂商对IN738、IN939等材料进行了打印参数验证，标志着γˈ镍基合金PBF-LB制造正逐步从实验走向工程化应用，为高温复杂零部件制造提供了颠覆性解决方案。
来自：增材金属粉末新视野
来源：江苏激光联盟