北京
激光定向能量沉积（LDED）兼具近净成形和再制造修复的双重优势，在镍基高温合金构件的高效制造与延寿方面展现出巨大潜力。然而，多数高性能镍基高温合金在LDED非平衡凝固的热物理条件下表现出极高的裂纹敏感性。因此，针对这种非平衡凝固过程，建立准确的“合金成分-本征开裂敏感性”的定量判断准则，对指导开展高温合金的高质量增材/修复时的成分筛选和合金设计具有重要意义。
针对上述问题，南京航空航天大学激光焊接与再制造技术研究所提出了镍基高温合金LDED新开裂准则，实现了独立于商用热力学软件的本征裂纹敏感性指数化计算。该项研究成果以“A new cracking criterion for additive manufacturing and repair of Ni-based superalloys via laser directed energy deposition”为题发表于《Acta Materialia》。博士生关肖虎为论文第一作者，通讯作者为王磊磊副教授，占小红教授。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122400
相同的LDED工艺参数下，镍基高温合金的开裂倾向与成分密切相关。宽工艺窗口下In738的裂纹始终存，说明相比工艺参数的优化，镍基高温合金的成分是LDED开裂敏感性的决定因素。且LDED中裂纹类型为凝固裂纹、固态裂纹、液化裂纹混合的开裂模式。
图1 In738在LDED中的混合开裂模式
裂纹位置位于高角度晶界。然而高角度晶界比低角度晶界裂纹敏感性更高的规律，可预测固有裂纹敏感性高的合金中裂纹发生位置。但却无法解释与In738成分类似的In939等合金在LDED过程中不发生开裂的现象。因此高角度晶界比例与本征裂纹敏感性之间并无必然联系。
图2 裂纹位置的EBSD及晶界能分析
EPMA结果显示，合金元素显著向枝晶间区域偏析，且裂纹沿着偏析路径扩展，这说明开裂与溶质分配引起的合金元素偏析联系密切。而LDED的非平衡凝固特征使得基于“无扩散”假设的Scheil模型成为描述该过程溶质分配最理想的物理框架。基于该假设结合高精度EPMA数据通过方差拟合，可求解出镍基高温合金各合金元素LDED过程的特征溶质分配系数k，该方法对局部溶质波动不敏感，计算得到的k值具有较高的鲁棒性。可作为一种普遍的溶质分配系数精确求解方法。
图3 裂纹位置的元素分布及溶质分配系数求解
图4 溶质分配系数拟合求解方法
元素初始浓度和与溶质分配系数共同导致液相中正偏析元素浓度的升高，进一步导致枝晶间液相残留，该液相面积Se可以作为一种全新的凝固开裂描述符，并能间接衡量液化裂纹敏感性。
图5 初始成分与溶质分配系数共同作用下的凝固裂纹机理
利用矩阵空间变换的数学方法简明严格的证明了热力学凝固路径与枝晶生长几何空间的仿射变换关系。在这一数理新见解上，可通过热力学凝固路径信息解析求解Se值作为凝固开裂敏感性指数，该指数也可间接指示液化裂纹敏感性。
图6基于双晶模型的LDED凝固开裂准则数学解析示意图及描述符矩阵变换
通过连贯的解析推导建立了新凝固开裂准则极其指数化计算，其中2λ为一次枝晶臂间距，G为温度梯度，Ts为每一fs下的液相固相线温度。该准则在凝固末期时迅速收敛，克服了以往准则在凝固末期的指数化计算不收敛问题，且可间接指示液化裂纹敏感性。
图7 通过微积分解析推导可求得Se的计算解析式
进一步研究发现应变协调是固态开裂的一个关键特征。整体应力水平由热应力和相变应力决定，其中较高的应力会直接加剧固态裂纹敏感性（ICS）。此外，枝晶间固溶强化和γ’析出强化差异所导致的应变屏蔽效应会增加应变局部化程度从而增加ICS。通过建立ICS准则作为补充判据，成功建立了一个更为全面的 LDED开裂敏感性评估综合框架。结合Se指数可综合评价镍基高温合金LDED本征裂纹敏感性，且不依赖商用热力学软件，显著降低了计算成本。这为镍基高温合金的LDED增材/修复提供了明确的选材标准，并在高通量成分设计与抗开裂成分筛选方面展现出显著的应用潜力。
图8 固态裂纹敏感性示意图
本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。
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