东北大学徐伟教授团队《Acta Materialia》：增材适用型镍基合金设计研发

增材制造技术因其可实现复杂构件高效成型的巨大优势，越来越多地被应用于航空航天精密结构件的制备。高温合金是目前最具价值的增材制造关键材料之一。然而现有的高性能高温合金复杂的成分体系与增材制造非平衡、强约束的特殊工艺过程不匹配，普遍存在开裂、性能不达预期等问题，难以实现工程应用。如何开发适应增材制造特征冶金条件的专用高性能镍基合金，已成为目前制约航空关键装备选材的瓶颈问题。

东北大学轧制技术与连轧自动化国家重点实验室徐伟教授团队针对增材适用镍基合金的研发问题，基于材料基因工程方法，充分利用高通量计算技术结合热动力学模拟，构建了镍基合金基于多目标优化的成分设计模型，在极广域成分空间(10^6解集空间)中快速甄别筛选出优化方案，大幅提升了增材适用型镍基合金的研发效率。创新性的引入相界作为控制元素局域偏析行为的位点，并综合考虑裂纹敏感性判据以优化合金的打印性能，在此基础上，同时考虑合金组织稳定性、力学性能及耐氧化性能的多重判据，设计出新型增材制造适用的高性能镍基合金，新合金可以在相当宽的增材工艺窗口下打印而不出现裂纹，具有很好的打印工艺鲁棒性，并且制备态合金的力学性能及耐氧化性能可以对标商用合金。应用相界调控元素偏析的合金设计策略可以推广于其他多种合金元素体系，并且可以进一步推广应用于增材专用的多体系合金开发，为材料基因工程方法的落地应用提供了良好示范。相关工作以题为“Robust additive manufacturable Ni superalloys designed by the integrated optimization of local elemental segregation and cracking susceptibility criteria” 发表在Acta Materialia。

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图1 (a)第一性原理构建了碳化物/基体相界面的稳定超胞构型，(b)硼元素在不同位置的偏析能，验证了硼原子在相界面的偏析倾向

图2. 考虑裂纹敏感性准则及服役性能筛选准则后计算获得的所有合金成分点。其中圆形和方形点分别代表有和没有初生碳化物的成分，颜色代表硼元素含量

图3. 气泡图显示在宽打印工艺参数下新设计的AMS-nDB 合金 (a, b) 和 AMSC-DB 合金 (e, f) 的裂纹面积分数和孔隙率。光学显微照片分别显示 AMS-nDB 合金（c，d）和 AMSC-DB 合金（g，h）最低和最高缺陷分数对应的样品形貌

图4. 二次离子质谱面扫结果显示AMS-nDB合金(a-c)和AMSC-DB合金(d-f)的B、C、Nb元素分布。AMS-nDB合金沿裂纹路径出现了硼元素富集，而AMSC-DB合金未发现硼元素的宏观偏析行为

图5. AMSC-DB合金中碳化物的STEM、EDS面扫及电子能量损失谱线扫。结果表明，硼元素未发生宏观偏析的原因是碳化物/基体的相界面分散了硼元素

图6. AMS-nDB合金和AMSC-DB合金在打印状态下的UTS和伸长率(a)，以及(b) 25oC，(c)800oC和(d)900 oC温度下与现有合金拉伸性能的比较。新合金的力学性能可以对标已有的商用合金

图7. AMS-nDB合金和AMSC-DB合金在1000 oC等温热重测试中的质量变化，以及与现有合金的比较(a)；以及对应的表面形成氧化层背散图像及元素分布

总之，本文提出了引入碳化物/基体的高能相界来调控硼元素偏析的新策略，并基于材料基因方法构建合金高通量计算设计流程，通过第一性原理计算初步验证了碳化物/基体界面捕获硼原子的可行性。在此基础上，将相界面固硼方法与裂纹敏感性准则结合，构建了增材适用镍基合金的成分设计模型。基于此模型，开发出AMSC-DB的新合金成分。新合金具有很好的打印工艺鲁棒性，可以在相当宽的打印工艺范围内获得无裂纹的块体。显微组织分析结果表明在 AMSC-DB 合金中没有观察到宏观的硼元素偏析行为，而原子尺度的分析发现了硼原子沿着基体/NbC 相边界富集现象，验证了相界面通过调控AMSC-DB合金中硼偏析而抑制增材裂纹的有效性。此外，新设计的AMSC-DB合金表现出良好力学性能及抗氧化性，可以对标商用合金。应用相界调控元素偏析的合金设计策略可以推广于其他多种合金元素体系，并且可以进一步推广应用于增材专用的多体系合金开发。

本工作受十四五国家重点研发计划项目“增材制造专用高性能高温合金集成设计与制备”（No.2021YFB3702500）和国家自然科学青年基金“增材制造镍基合金基于先析相热动力学特征的裂纹敏感性改善机制”（No.52204383）的资助。

本文来自“轧制技术”。