给金属3D打印“加Buff”：能量场如何助力打造更优的航空发动机材料

航空发动机作为现代飞机的核心，其关键的内温受力部件（如涡轮盘、叶片叶盘等）不仅结构复杂，还在极端恶劣的环境中运行，其性能对航天装备的可靠性具有重大影响。镍基高温合金因其在高温工作条件下兼具高强度、抗蠕变性、耐腐蚀性和显微组织稳定性等优异性能，成为航空发动机部件的首选材料。

增材制造已成为生产复杂镍基高温合金部件的一项技术，改变了传统制造的设计理念，从“制造引导设计、基于经验的设计”转变为“设计引导制造、拓扑优化设计”，促进了零件的直接制造。然而，高性能镍基合金增材制造仍面临着孔隙和裂纹的挑战。

单纯依靠工艺优化、合金设计, 和热处理不足以同时满足增材制造高温合金的打印适性和力学性能要求。为解决增材制造高温合金中的裂纹、孔隙和不均匀性等问题，研究重点逐渐转向调控成形过程中的热条件。在增材制造过程中引入外部能量场，以克服成形过程的热条件限制，是一种高效、环保且具有前景的方法。

近期，来自中国科学院金属研究所的研究团队在

Journal of Materials Science and Technology

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.03.010

第一作者：李金国、周林

通讯作者：李金国、梁静静、雷力明

通讯单位：中国科学院金属研究所

金属3D打印的挑战：为何需要“外力”辅助？

3D打印金属零件是一层层熔化金属粉末（或丝材）并叠加成形的过程。对于镍基高温合金，这个过程存在几个核心难题：

打印缺陷多：快速加热冷却易产生热应力，导致裂纹；保护气体卷入或粉末问题会形成孔洞，像材料里的“蛀牙”，严重影响强度。

组织不均匀：由于热量是从下往上传递的，导致零件不同高度区域的冷却速度不同，最终晶粒形态、强化相分布不一致。这就像树木的年轮，每层生长条件不同，质地就有差异。

性能各向异性：组织不均匀直接导致零件力学性能随方向变化（各向异性）。在垂直建造方向和平行扫描方向上，强度、塑性可能差别很大，这对于要求高度可靠性的航空零件是致命伤。

仅优化打印参数或进行后续热处理，难以同时解决所有问题。因此，引入外部能量场，在打印过程中实时干预熔池行为和凝固过程，成为一种革命性的思路。

三大“辅助神器”：

热、声、磁场的原理

科学家们主要引入了三种能量场，它们的工作原理各不相同：

1、热场（预热）

就像在寒冷天气里预热烤箱。在打印前或打印过程中对基板或已打印层进行预热。

作用：减小新熔化层与已凝固部分之间的温度梯度，从而降低热应力，抑制裂纹产生。

局限：随着零件越打越高，预热效果会减弱；且过高的预热温度对设备要求苛刻。

2、超声波场

将高频机械振动引入打印过程。

核心效应：空化效应（超声波在熔池中产生并压溃微小气泡，产生局部高温高压）和声流效应（振动驱动熔体流动）。

作用：破碎晶粒、细化组织；促进熔池流动，帮助气体逸出，减少孔洞；还能施加塑性变形，释放部分应力。

方式：可通过振动基板、冲击已凝固表面或非接触式导入。

3、磁场

利用磁力非接触式地影响导电的金属熔体。

核心效应：电磁制动（抑制熔池自然对流）和热电磁对流（由温度梯度在磁场中产生电流，进而驱动熔体流动）。

作用：稳定熔池，减少飞溅；改变熔体流动模式，从而影响晶粒生长方向；促进元素均匀分布，减轻偏析。

类型：包括静态磁场和动态（交变、脉冲）磁场，不同方向和类型的磁场效果迥异。

能量场如何提升材料性能？

通过调节打印过程，能量场能从根本上改善材料的“体质”。

提升“可打印性”（减少缺陷）：

• 热场：对于易裂合金（如IN738LC），高温预热（>900 °C）是抑制裂纹最有效的手段之一。

• 超声波场：通过空化效应和声流，能有效将孔洞率降低一个数量级，并辅助消除裂纹。

• 磁场：通过稳定熔池和驱动流动，有助于气泡逸出和抑制气孔形成。

优化微观结构（均匀组织）：

• 热场：能改变温度梯度，促进粗大的柱状晶向细小的等轴晶转变（CET），使组织更均匀。

• 超声波场：强力细化晶粒，是实现细小等轴晶组织的利器。

• 磁场：可以通过控制热电磁对流的方向，来调控晶粒的生长取向，甚至实现定制化的织构。

  改善力学性能：

• 室温性能：超声波场通过晶粒细化，能显著提高合金的强度和硬度；磁场则更擅长改善元素的均匀性，从而提升材料的塑性和韧性。

• 性能均一性：能量场通过减轻组织不均匀性，有助于降低零件在不同方向上的性能差异，使其更接近“各向同性”。

组合拳更强：多能量场协同效应

单一能量场各有侧重，也存在局限。因此，“组合拳”——多能量场耦合技术成为前沿方向。

• 优势叠加：例如，超声波-电磁复合场能将超声波的细化晶粒能力与磁场的控制流动能力结合。磁场产生的洛伦兹力甚至可以延长超声波空化效应的作用范围，实现“1+1>2”的效果。

• 解决复杂问题：这种协同作用能更有效地同时消除孔洞和裂纹，并实现对晶粒形态和取向的精确调控，为制造性能高度均一、各向同性的高性能零件提供了可能。

当前挑战与未来展望

尽管前景光明，能量场辅助增材制造仍面临挑战：

• 机理复杂：多能量场在熔池内的相互作用是高度非线性的，缺乏统一的理论模型进行预测。

• 工艺控制难：如何精确控制能量场的施加时机、方向、强度，以实现对微观结构的“定点”调控，仍需深入研究。

• 设备集成度低：目前多数研究处于实验室阶段，将能量场装置可靠、稳定地集成到工业级打印设备中，是迈向工程应用的关键。

• 高性能需求：能量场细化晶粒有益于室温性能，但对合金的高温蠕变、疲劳性能的影响规律尚不明确，而这正是航空发动机材料的核心考核指标。

  
  

  未来的研究将聚焦于

• 开发多物理场仿真与机器学习（ML）模型，以预测和优化能量场工艺。

• 设计智能化的集成装备，实现能量场参数的在线监控与动态调控。

• 拓展至激光再制造与修复领域，为高价值航空发动机部件的快速、高质修复提供革命性技术。

“3D Science Valley 白皮书 图文解析

图片解析

图 1：增材制造在金属材料中的应用。

图2：增材制造镍基高温合金的组织与性能不均匀性：(a) 宏观形貌；(b) 枝晶；(c) 强化相形貌；(d) 热历史；(e) 拉伸性能。

图3：基于能量场辅助的混合增材制造思路流程：(a) 基于“性能-机理-能量场-混合增材制造”的框架示意图；(b) 热场辅助增材制造；(c) 超声波场辅助增材制造；(d) 磁场辅助增材制造。

图4：热场辅助增材制造：(a) 基板加热；(b) 复合热源加热。

图5：超声波场对熔池动力学的影响：(a) 超声振动基板辅助增材制造；(b) 非接触超声波辅助增材制造。

图6：增材制造过程中的磁场机理图：(a) 磁阻尼分布；(b) 磁场下的熔池；(c) 热电磁力作用于枝晶；(d) 枝晶上的热电磁对流；(e-g) 熔池尺度上的洛伦兹力。

图7：(a-c) 凝固裂纹、液化裂纹和延性谷底裂纹；(d) 与氧化物夹杂相关的裂纹。

图8：增材制造过程中导致孔洞缺陷的因素：(a) 空心粉末；(b) 氧化反应；(c) 熔体填充不足；(d) 保护气体卷入。

图9：热场对增材制造镍基高温合金裂纹的影响：(a) IN738LC；(b) CM247LC 和 IN713LC；(c) K417G。

图10：热场对孔洞和熔池的影响：(a) IN738LC；(b) IN718。

图11：超声波振动辅助激光定向能量沉积过程：(a) GH3039；(b) IN100。

图12：增材制造过程中振动基板底部的超声波：(a) IN718；(b) GH5188。

图13：磁场辅助增材制造制备的镍基高温合金的成形质量：(a) 横向磁场辅助激光重熔IN718；(b) 磁场对裂纹的影响；(c)不同磁场方向下的激光定向能量沉积IN718；(d) 磁场方向对气孔的影响。

图14：磁场辅助激光粉末床熔融高温合金：(a) 静态磁场对IN718孔洞的影响；(b) 磁场对熔池的影响；(c) 磁场方向对熔体流动的影响。

图15：热场对增材制造镍基高温合金微观结构的影响：(a) IN738LC；(b) CM247LC；(c) IN738LC。

图16：不同预热温度下增材制造高温合金的晶粒特征。

图17：有/无超声波场辅助下增材制造高温合金的微观结构对比：(a) IN718；(b) GH3230；(c) Hastelloy；(d) GH3039；(e) GH5188；(f) IN718。

图18：磁场辅助增材制造控制高温合金的微观结构：(a) 有/无交变磁场下高温合金的晶粒形貌；(b) IN718合金的枝晶形貌和Laves相；(c) 不同磁场方向对增材制造高温合金的影响。

图19：电脉冲辅助超声波场改性技术对增材制造镍基高温合金可打印性的调控。

图20：电磁复合场辅助增材制造过程中洛伦兹力方向对孔洞的影响：(a) 向下洛伦兹力；(b) 向上洛伦兹力。

图21：多能量场耦合对增材制造高温合金可打印性的影响：(a) 超声波-电磁复合场辅助增材制造示意图；(b) UEM场下IN718的孔洞减少；(c) 超声波与电磁场在熔池内的相互作用；(d) 不同能量场下制备的IN625合金孔洞率对比。

图22：电磁场辅助激光熔覆对高温合金微观结构的影响：(a) 无外场辅助；(b) 电磁场；(c) 电磁场对熔体流动和枝晶的影响。

图23：超声波-电磁复合场辅助激光熔覆工艺对合金微观结构的影响：(a) IN718合金；(b) IN718/WC复合材料。

图24：多能量场辅助增材制造对高温合金力学性能的调控：(a) 有/无电磁场下的硬度比较；(b) 超声波-电磁复合场对硬度的提升；(c) 超声波-电磁场辅助增材制造制备的IN625合金力学性能对比。

图25：各种能量场辅助增材制造工艺的优势与局限。

作者简介

李金国（第一作者，通讯作者），中国科学院金属研究所研究员，国家科技创新领军人才。主要从事高温合金材料研发和制备技术，研制出多种牌号增材用高温合金及高性能单晶合金，累计在Addit. Manuf., Scripta Mater., J Mater. Sci. Technol.等国际国内知名期刊发表论文260余篇，公开及授权发明专利 150余项，获辽宁省技术发明一等奖、中国发明创业成果二等奖等8项奖励。

3D科学谷

论文引用

Jinguo Li, Lin Zhou, Nannan Lu, Wei Song, Jingjing Liang, Yizhou Zhou, Liming Lei, Lei Shi,Advances and challenges in energy field assisted additive manufacturing nickel-based superalloys: Printability, microstructure, and performance, J. Mater. Sci. Technol. 239 (2025) 124-152. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.03.010

预约参观TCT亚洲展，收获3D打印新思路。

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