摘要：本文旨在探讨激光增材制造技术如何应用于高温合金领域，期间探讨了增材制造高温合金的技术特性及应用范围、冶金缺陷的产生机制。此外，本文还着重讨论了激光参数的优化等方面的内容，为进一步提升该领域的研究水平提供借鉴指导。

关键词：增材制造；高温合金；冶金缺陷；成分优化

增材制造与减法制造有着显著不同，相对于后者而言，增材制造属于逐层累加的制造工艺，具体指的是借助于添加材料进而从三维数学模型得到三维物理模型的制造技术统称。不同领域对该技术有着不同的称呼，在学术界其被称之为增材制造，但是对于普通大众以及传媒领域而言，更习惯于称其为3D打印。由于具备出色的抗疲劳、抗氧化和耐腐蚀特性，高温合金已经成为航空航天、武器装备、能源、石油化工等行业的重要组成部分，而利用激光增材制造技术生产出的航空发动机叶片、涡轮盘、燃烧室等关键零部件，不仅可以极大地改善设备整体的结构设计，还可以大大减少产品研发时间，并且还可以显著提升其服役性能。尽管近年来在高温合金增材制造方面的研究取得了一定的成果，但仍有许多障碍需要克服，其中最重要的一个问题就是如何有效地控制和消除裂纹。故而，本文需要围绕增材制造高温合金的多方面展开讨论研究，希望能够为未来的增材制造合金领域的发展提供更多的可能性。

一、增材制造高温合金的概况

高温合金是一类特殊的合金，它们以Fe、Ni、Co为基础，在极端的高温环境下（600摄氏度以上），能够承受极高的机械应力，并具有优异的组织稳定性。高温合金因其出色的耐高温、耐氧化、耐热腐蚀、耐蠕变、耐疲劳、结构稳定以及可靠的优势特点，已被广泛应用于航空航天、石油化工等行业的先进动力推进系统的热端部件。制备复杂结构高温合金构件已经成为航空航天等领域的关键技术，但是，传统的锻造、粉末冶金和铸造等工艺在这方面存在着诸多不足，这些不足阻碍了这一领域的发展。为了满足当前的需求，有必要开发一种全新的、具有复杂结构的高温合金构件制造技术。而通过使用增材制造技术，我们能够实现数字化的先进生产方式。该技术使用电脑来创建三维模型，并通过电脑控制进行精确的扫描和堆叠，能够顺利完成零部件的近净成形。通过采用这种新的方法，我们可以克服传统的多孔、网格、空心等结构的技术难题，大大提升了材料的利用效率，缩短了制备时间，同时也使得产品更加轻巧，并且拥有更高的性能。因此，它在航空航天领域具有巨大的潜力。采用增材制造技术来生产复杂的高温合金零部件，可以显著提升航空航天领域的发展效率和质量。近年来，随着技术的进步，越来越多的研究者开始利用增材制造技术来生产各种高温合金零部件，并且部分零部件已经在航空领域的相关方面得到了实践应用，如航空发动机的燃油喷嘴、航天发动机的燃烧室、燃气轮机的导向叶片。

SLM技术通过使用高能量激光束来精确地熔融已经铺设在粉末床上的金属粉末，然后通过冷却和凝固来得到产品。经过加工，进而可以获得一种表面粗糙度极佳、成型致密度极高（可达99.9%）的零部件，其拉伸性、耐久性和其他力学特性都远远超越了铸造品，甚至比锻造品还要出色，然而，由于铺粉基板的影响，使得零部件的尺寸受到一定的制约。与上述所介绍的SLM技术相比，LMD技术的粉末输送方式有所不同，二者具有显著的差异性。采用激光束和粉末的同步输入技术，可以实现对大型零部件的高精度加工，然而，采用更大粒径的合金粉末，表面粗糙度也会显著降低。

从航天领域出发进行相关研究汇总，MTI公司借助于增材制造技术的应用，从而制备出了一系列合金部件，例如盘类、环类等，这些零部件的制备有希望应用在美国研发的火箭发动机方面。另外，美国SpaceX也借助于该技术完成了氧化剂阀体等的制备，并且成功应用在火箭发动机上。

从我国增材制造技术在高温合金方面的研发应用情况来看，不少研究单位，如西北工业大学、华中科技大学还有一些公司，如铂力特、上海商发等都在该领域投入了大量的科研资源，且获得了一定的成就，部分零部件在被成功制备出来后也应用到了实际中。但是我国所制备出的合金基本上都具有强度低、易变形等特点，如GH4169、GH3536和GH5188等。

二、冶金缺陷分类

（一）裂纹

裂纹是一种常见的冶金缺陷，可以通过观察其形态特征和形成机制来分类。常见的几种裂纹如下所述。

1.凝固裂纹

这种裂纹通常是由于凝固过程中产生的缩孔和高熔点碳化物导致的。在激光熔池中，材料被分为固态和液态，其中，枝晶的凝固会妨碍其他熔融物质的填充，从而使得在凝固后期，枝晶之间缺乏足够的液体来修复因凝固而产生的缩孔；另外在材料凝固的过程中，还会产生一些坚硬且易碎的高熔点碳化物，这些碳化物的存在会对合金的凝固产生负面影响，不利于补缩。由于这两种因素的共同影响，导致凝固收缩所产生的应力聚集于特定的区域，从而导致枝晶之间的液膜破坏。这种裂纹断面具有显著的胞状/树突结构，其中两个表面之间的空隙形状多变，有时会有不规则的细微差异。由于其具有独特的特征，从而使得凝固裂纹是最容易被鉴别的。通过电子探针显微分析，Zhou等人研究了利用激光增材制造的高温合金在凝固裂纹周围的元素分布情况，在其研究中发现，在裂纹附近，铝、钛、钽、铪、钨、碳、硅、氧等元素都会出现不同程度的偏析，根据这些信息，我们可以断定凝固裂纹的产生是由于枝晶界处的元素偏析所致。由此可以验证，凝固裂纹的产生与凝固温度的变化范围以及凝固最后阶段的元素偏析状态密切相关。

2.液化裂纹

这种裂纹的形成通常与枝晶之间的低熔点相存在较大关联性。针对于液化裂纹而言，导致其出现的两个重要的影响因素分别为局部液膜的形成以及拉应力的作用。随着增材制造工作的推进，受循环加热的影响，枝晶间/晶界的一些低熔点相会被重新熔融，在内部的应力作用下，从而使得液膜发生撕裂，最终形成一条条的裂纹。液膜是由低熔点氮化物、Laves相和γ/γ′共晶组成的，它们分布在胞状/枝晶边界，因此，液化裂纹的出现往往会沿着晶界的方向发展，通过这一点可以有效识别出液化裂纹。

3.固态裂纹

热处理是导致固态裂纹的主要因素。和液相裂纹加以对比可知，此类裂纹的出现是基于固态的情形下，没有任何外露的枝晶结构或液膜痕迹。通过激光增材制造技术，可以实现多次的冷却和加热，这样就可以使得先前沉积的微结构形成固有热处理效应，并且可以利用这效应来加速γ′相的形成和成长，从而确保应变时效应力的分布具有集中性，继而可以防止新的裂纹的出现和原有裂缝的扩散。通过显微镜观察，固态裂纹的两侧表面形状具有一致，并且表现出干净、笔直等典型特征。

（二）孔隙

在利用增材制造技术制备合金的过程中，孔隙缺陷也较为常见。它通常是由未完全熔化的粉末或气体卷入所形成的。由于激光能量输入不足，导致未熔融粉末无法完全熔化。随着能量密度的减少，激光穿过粉末的强度也会随之下降，从而使得某些粉末颗粒无法得到有效的熔融，从而产生了一些沿着激光扫描方向的细小洞穴和不规则的空隙。气体卷入的形成可归因于Ar气的存在，以及激光能量的过度释放，从而使得材料的蒸气被熔池捕捉，从而形成气体卷入。由于孔隙的存在，合金的致密度和硬度都会受到显著的影响，而且随着时间的推移，这种影响还会使得合金的力学强度受到严重的损害。受外力影响，孔隙可能会迅速扩大，从而成为裂纹形成的根源。

三、激光增材制造工艺特性及其影响

（一）能量参数

稳定的熔池结构和合理的几何重叠是保证金属粉末完全熔化、形成牢固结合以及减少缺陷产生的关键因素。通过改变激光功率、光斑直径、扫描速率等参数，我们可以改变能量密度，从而调节熔池的形状和结构。当功率较低或扫描速度较快时，由于能量输入不足，金属粉末无法被充分熔融，导致形成了不均匀的熔池，并且由于粉末没有被充分融合，进而会导致孔隙的出现。随着激光功率的增加和扫描速率的降低，输入的能量密度也会相应增加，从而有效地降低了孔隙的发生概率。Choi等学者通过调查研究显示，采用SLM技术所制造出的Inconel718合金孔隙率受扫描速率的影响也会发生一定程度的改变，当扫描速率由原先的1600mm/s变化为800mm/s的过程中，孔隙率也会呈现下降的趋势，并且在该学者的研究中发现，当扫描速率保持在200-800mm/s这一区间时，孔隙率会呈现出低水平状态。但是如果能量密度比较高，则其会对金属粉末造成一定的影响，使之出现沸腾现象，在这种情形下，一些金属会出现蒸发反应，局部可能会因为材料缺失而出现凹陷，并且若在这一过程中蒸发的气体被截留，还可能会在熔池出现孔隙。当能量水平较高时，局部热量会迅速聚集，这将导致更大的热应力，从而使裂纹的形成更有可能发生。Cloots等借助于多种激光工艺参数打印IN738LC合金，并在其实践中得知，若是扫描速率维持低水平状态，则出现的裂纹密度会随之升高，故而只有当能量处于一个相对平衡的状态时，才能够形成稳定的熔池，并得到理想的组织结构。

（二）几何参数

冶金结合是增材制造构件成形的关键因素。为了确保冶金的有效结合，几何连接的牢固性是至关重要的。通过良好的几何连接，可以显著降低热裂纹和孔隙的形成风险。在本文中，我们将把搭接率、层厚以及扫描策略等几何因素纳入几何参数的考量范围。通过科学地筛选确定几何参数，可以显著降低制造过程中的平均温度，从而形成更小的熔池，并且能够促使熔池得到更大的温度差，从而减少晶粒尺寸。因此，一些研究者利用熔池的几何形状来估算增材制造的打印效果。Tang等人提出的一种新的处理图，它将相对搭接间距（h/d）以及相对层厚度（δ/w）结合起来，以此来估算熔融过程中可能造成的孔隙率。为了确保熔池搭接充足，横向相邻熔池之间的搭接深度必须低于零件打印所需的厚度。

（三）时间参数

时间参数在整个打印过程中始终存在，它不仅可以影响裂纹的形成，还能够对孔隙进行综合调控。一般来说，间隔时间是最常用的参数。在以Ci为代表的研究团队的实验探究中，其主要围绕脉冲激光间隔时间展开了相关分析调整，继而借助于激光增材制造技术，完成了DD434单晶样品的制备工作，该晶体不但没有裂纹，并且也没有杂晶。通过对该样品展开拉伸以及持久性测验发现，其和单晶基体之间有着较高的相似度。另外，时间对于扫描速率以及策略也有着一定的影响性，最典型的扫描策略是岛状打印策略。这种策略的显著优势在于，它采用了许多岛屿状的三角形，将整个打印层覆盖起来，有效地分散了热量，从而减小了热应力的集中，并有效地防止了裂纹的产生。通过改变体能量密度（VED），可以在有限的时间内有效地改善激光工艺，从而降低裂缝和孔隙的发生率。Moussaoui等分析了激光参数对SLM制备Inconel718合金中孔隙、组织以及性能的影响，当VED水平增加时，粉末会完全熔化，导致孔隙率显著降低。因此，通过对时间参数和其它因素的综合考虑，可以更加精确地调节激光工艺参数，从而更好地控制和减少组织缺陷的发生。

四、增材制造的新合金研发

当前，增材制造新型高温合金的研究工作取得了进一步的进展。Tang等研究学者在相关理念的支持下，设计出了γ′相体积分数在20%～30%、高延伸率、裂纹孔隙少的新型镍基高温合金ABD-900AM。经检查，整个合金表面没有发现裂纹，但是在拐角处（边界）有一些细微的裂纹。在不同拉伸温度下展开试验，发现该合金的屈服强度均显著高于IN939合金。在拉伸温度为700摄氏度以下时，其屈服强度明显好于CM247LC。通过添加C、B、Hf等晶界强化元素，ABD-900AM合金的高温延展性能大大提升，达到了超过15%的水平。Murray等综合密度泛函理论计算等建立数据库，采用先进的算法，我们可以其迅速筛选出溶质偏析小、裂纹敏感性极低、γ′相体积分数极高、且具备优异的打印特性的SB-CoNi-10合金。经过拉伸实验的证实，与EBM和SLM制备的其他高γ′相体积分数的镍基高温合金进行对比可知，这类合金在塑性以及最大抗拉强度方面表现出明显优势，主要是由于打印过程中缺陷的可能性较小。

总结

综上所述，工艺参数和合金成分是影响高温合金组织及其性能的关键因素。未来的研究将采用多种多样的技术手段，以更加全面准确地反映出真实的打印过程，并且可以有效地解决存在的缺陷或者优化组织架构。为了更快地实现高温合金增材制造的工程化目标，我们需要在工艺和材料方面进行更深入的研究和探索。

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