上海
定向凝固镍基高温合金无横向晶界、抗蠕变性能优异，成为制造涡轮叶片的关键战略材料。传统熔模铸造与减材加工的流程长、材料利用率低、成本高。在严苛的服役工况下，高温合金叶片易发生磨损与疲劳开裂。由于替换成本高昂，开发既能保留柱状晶结构又能维持力学性能的新型修复技术至关重要。激光定向能量沉积（L-DED）技术利用高能激光束产生的大温度梯度，驱动枝晶沿沉积方向定向生长；但其快速冷却特性又产生高密度位错与高残余应力，虽能提升室温强度，却有可能在高温服役时诱发再结晶、破坏定向组织。而且，热应力与相变应力叠加，造成裂纹缺陷，导致增材制造失败。因此，开发能够兼顾柱状晶外延、强度优化、再结晶抑制和裂纹消除的优化加工策略，是实现高性能定向凝固高温合金增材修复的关键。
“3D Science Valley 白皮书 图文解析
在本项工作中，作者系统研究了感应加热辅助L-DED方法与无感应加热L-DED方法所制备的DZ125L镍基高温合金，发现两种方法均可获得具有定向晶结构的镍基高温合金，感应加热辅助L-DED方法制备的试样相较于无感应加热试样具有更低的裂纹缺陷密度、较大的γʹ析出相、更高的硬度、更低的位错密度，高温下再结晶风险显著降低。结合对各强化机制的定量计算，揭示了硬度差异的本质原因在于γʹ析出相尺寸的优化。这种集裂纹缺陷抑制、定向柱晶结构保持、显微硬度提升与再结晶风险降低于一体的协同效应，为推进高温合金增材制造技术提供了创新解决方案。此工作以“Simultaneous strength optimization and recrystallization prevention in induction-heating-assisted laser additively manufactured Ni-based superalloys”为题，发表在Materials Research Letters期刊。论文的第一作者为硕士研究生赵一舟，通讯作者为西安交通大学陈凯教授、长安大学李尧副教授，西安交通大学金属材料强度国家重点实验室为第一通讯单位。共同作者包括西安交通大学王兆伟、钱旦博士，天津大学石璘，新加坡南洋理工大学高叔博博士，丹麦技术大学Wolfgang Pantleon教授。
首先，作者自主研制的感应加热辅助L-DED设备如图1a所示。传统的激光增材制造（CLAM）制备的试样中裂纹的数量密度和长度密度分别为4.3 ± 0.8 根/mm2和1.5 ± 0.7 mm/mm2，而感应加热激光增材制造（IHLAM）具有较低的温度梯度，制备试样中裂纹密度仅为1.3 ± 0.5 根/mm2和0.5 ± 0.1 mm/mm2。IHLAMed层仍然保持和基材区相同的柱状晶结构，并且相比于CLAMed层和铸态样品具有更高的硬度，如图1b和1c所示。
图1 (a)感应加热辅助激光增材制造（IHLAM）装置示意图，(b)电子背散射衍射（EBSD）取向图显示IHLAM制备层中的外延柱状晶粒结构，(c)IHLAM制备与传统激光增材制造（CLAMed）高温合金的显微硬度分布曲线。
接着，作者探究了强化机制的贡献和性能差异的原因。首先，对IHLAMed层和CLAMed层的位错分布进行表征（图2a和2b），讨论由加工硬化引起的临界分切应力增量(
t c,disl )。通过定量化计算，CLAMed层中t c,disl 为139.6 MPa，而对于IHLAMed层和母材，t c,disl 分别仅为66.2 MPa和66.9 MPa。然后，通过计算得到γ′相尺寸与三种强化机制之间的关系（图2c），获得IHLAMed层、CLAMed层和基材中析出强化导致的临界分切应力的增量，分别为276.2MPa、143.0 MPa和143.1 MPa 。图2d总结了由γ′析出相和位错所带来的强化效果。相较于母材，预测IHLAMed层的显微硬度增量为72.6 HV，CLAMed层的显微硬度增量为132.4 HV，这与从图1c中测定的实验值71.0 HV0.2和126.2 HV0.2相吻合。并且，感应加热通过动态回复，显著降低了位错密度，避免了高温下再结晶的风险，如图2e和2f所示。
图2 (a)无感应加热与(b)感应加热辅助L-DED制备层的TEM明场像，揭示位错分布特征差异。(c)不同尺寸γʹ相引发的临界分切应力变化规律。(d)母材、传统L-DED与感应加热辅助L-DED制备层中位错强化、γʹ相强化及其复合效应对显微硬度增量的贡献对比。(e)CLAMed 样品与(f)IHLAMed样品经1240 ℃和15 min的超固溶线热处理后的晶粒取向分布图。
综上所述，此研究证实了感应加热辅助增材制造技术在定向凝固镍基高温合金生产与修复中的可行性和技术优势。相比于无感应加热辅助增材制造技术，感应加热方案展现出三重优势：其一，感应加热辅助L-DED制备合金的裂纹密度显著低于无感应加热工艺；其二，感应加热辅助L-DED制备合金的显微硬度优于无感应加热工艺；其三，该工艺通过优化γ′相析出而非依赖位错强化实现材料强化，此强化机制赋予材料更优的热稳定性与更低的再结晶风险。综合力学性能与服役安全性分析表明，感应加热辅助L-DED技术为定向凝固镍基高温合金部件的高效制造与可靠修复提供了创新解决方案。
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文献链接：
Yizhou Zhao, Zhaowei Wang, Lin Shi, Shubo Gao, Dan Qian,Kai Chen*,Yao Li*& Wolfgang Pantleon(2025) Simultaneous strength optimization and recrystallization prevention in induction-heating-assisted laser additively manufactured Ni-based superalloys, Materials Research Letters.(点击左下角“阅读原文”可跳转至原文链接：https://doi.org/10.1080/21663831.2025.2491566)
图文供稿 |西安交通大学陈凯教授团队
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