上海交大祝国梁研究员 l 选区激光熔化 γ' 相强化镍基高温合金裂纹形成机理与抗裂纹设计研究进展

l 上海交通大学 l

传统牌号高强镍基高温合金具有较宽的凝固温度区间、较高比例的低熔点共晶相，在增材制造快速非平衡凝固过程中易产生裂纹等缺陷；同时，热处理过程中残余应力释放和γ' 相快速析出导致应变时效裂纹的形成，严重限制了其在激光增材制造领域的应用与推广。

基于此，上海交通大学祝国梁研究员团队在《选区激光熔化 γ' 相强化镍基高温合金裂纹形成机理与抗裂纹设计研究进展》一文综述了近年来国内外研究组及作者团队在选区激光熔化高强镍基高温合金裂纹形成机理与抗裂纹设计(成形工艺参数优化、热处理制度调控以及合金成分设计)领域相关的研究进展，并对激光增材制造γ' 相强化镍基高温合金裂纹调控的研究进行了展望。

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▲论文链接：

https://www.ams.org.cn/CN/10.11900/0412.1961.2022.00434

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▲激光增材制造无裂纹镍基高温合金设计和增材制造新型镍基高温合金性能设计对比

Design of crack-free nickel-based superalloys produced by additive manufacturing

(a) solidification temperature range and γ' phase content

(b) solidification temperature range and creep life

(c) solidification temperature range and strain aging crack factor

(d) property design comparison of nickel-based superalloys fabricated by additive manufacturing (OAC—oxidation-assisted cracking)

▲不同厚度样品基板预热前后底部开裂情况，基板预热温度对高强镍基高温合金裂纹密度及残余应力的影响规律。

结论与展望

总体来看，金属增材制造技术具有微区超常冶金和快速凝固的本征属性，凝固裂纹、液化裂纹以及固态裂纹等多种类型裂纹普遍存在于传统高强牌号镍基高温合金，且严重影响构件的服役性能。激光和粉末交互作用中涉及到黏度梯度、金属蒸气等复杂的传质、传热、热冲击过程，热输入是如何影响激光加工过程中的裂纹形成仍有待深入探索，不同裂纹的临界形成条件以及裂纹形成的先后阶段等问题还有待进一步解决。

同时，不同材料的开裂机理存在明显差异，控制裂纹的措施也无法沿用。虽然，本文综述的一些手段可以实现增材制造高强镍基高温合金的无裂纹成形，但这些镍基高温合金的性能与传统铸造合金相差较远，尤其是高温力学性能。因此，在保证材料性能的前提下，如何不断降低材料打印成型的裂纹敏感性，是合金成分设计与优化的难点。根据服役性能需求，提出适用于激光增材制造的镍基高温合金成分设计准则，是实现无裂纹、高性能镍基高温合金的设计与制备的关键所在。

目前，增材制造合金的优化仍处于“经验+试错”研究阶段，从时间和成本上限制了金属增材制造技术的快速发展与应用。激光增材制造γ' 相强化镍基高温合金裂纹类型多且不同种类镍基高温合金主要开裂机理不同，现有的裂纹研究手段均聚焦在增材制造成形后的组织表征，难以获得裂纹萌生与扩展过程的动态和瞬时信息，成为阻碍增材制造裂纹机理研究与控制的主要原因。 采用同步辐射和中子衍射等穿透性强、时空分辨率高、三维可视化的表征技术有望为增材制造技术的未来发展提供技术支撑，这些技术在增材制件缺陷的原位、动态、无损表征方面具有独特优势，可以实现金属复杂构件增材制造过程对应力、变形、相变等瞬态信息的快速在线获取与演变分析。借助同步辐射和中子衍射技术在增材制造镍基合金、钛合金以及铝合金等金属材料的熔池冶金缺陷形成机理与调控方面还缺乏系统性研究，需进一步研究的内容主要有：

(1) 熔池冶金动力学行为及内部缺陷的同步辐射原位测试分析；(2) 微熔池超常冶金动力学特征及瞬态热质传输行为；(3)多场耦合下冶金缺陷形成机理及控制行为。除了先进实验表征技术以外，开展金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真研究，也能够有效地揭示熔池内冶金缺陷的形成与发展机理、材料组织演化与结构变形的耦合机制。

在增材制造合金裂纹控制方面的研究工作，尚需深入开展的材料热物理相关研究有：(1) 周期性、非稳态、长期热循环作用下构件热应力、相变应力和系统约束应力的演化规律；(2) 增材构件内应力与增材制造工艺条件和零件结构的关联关系；(3) 增材制造过程中构件热-力的非稳态耦合交互作用对构件变形、开裂行为的影响；(4) 增材制造内应力累计开裂的预防控制技术。

先进的实验表征技术结合高可靠的物理仿真模拟，将是未来实现增材制造材料-工艺-缺陷演变-性能的精准形性调控，提高金属增材制造产品的质量与性能的有效途径。目前，激光增材制造技术特点在材料设计与制备的优势未充分发挥，亟需发展增材制造用高温合金材料设计的新方法与新理论，推动激光增材制造高强镍基高温合金的应用与发展。

论文应用信息：

祝国梁, 孔德成, 周文哲, 贺戬, 董安平, 疏达, 孙宝德. 选区激光熔化γ' 相强化镍基高温合金裂纹形成机理与抗裂纹设计研究进展[J]. 金属学报, 2023, 59(1): 16-30

ZHU Guoliang, KONG Decheng, ZHOU Wenzhe, HE Jian, DONG Anping, SHU Da, SUN Baode. Research Progress on the Crack Formation Mechanism and Cracking-Free Design of γ' Phase Strengthened Nickel-Based Superalloys Fabricated by Selective Laser Melting[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2023, 59(1): 16-30

DOI:10.11900/0412.1961.2022.00434

作者简介

祝国梁1,2,孔德成1,2,周文哲1,2,贺戬1,2,董安平1,2,疏达1,2,孙宝德1,2

1.上海交通大学 材料科学与工程学院 上海市先进高温材料及其精密成形重点实验室

2.上海交通大学 金属基复合材料国家重点实验室

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