综述：难焊超合金激光粉末床熔融技术的进展：综述

《Materials & Design》：Advances in laser powder bed fusion of hard-to-weld superalloys: a comprehensive review

激光粉末床熔融（LPBF）技术为航空航天热端部件制造难焊接镍基超合金提供了新方案，但面临成分偏析、热应力及缺陷控制等挑战。本文系统分析了LPBF工艺参数（激光功率、扫描速度、层厚度等）与超合金（如CMSX-4、IN738LC等）微结构演变、相分布及缺陷（孔隙、裂纹）的关联性，提出通过扫描策略优化（如90°旋转）、成分微合金化（添加碳元素）、多物理场耦合模拟及热处理工艺改进（如热等静压）实现性能提升。研究指出，熔池尺寸与重叠率、冷却速率梯度是控制裂纹的关键，而复合热处理可优化γ'相分布并抑制有害TCP相生成。未来需结合机器学习与实时监测技术，开发普适性工艺窗口，并拓展极端工况下的性能验证。

　　激光粉末床熔融（LPBF）技术在航空航天工业中展现出巨大的潜力，尤其是在制造具有优异氧化和高温腐蚀抗性的超合金材料方面。然而，传统工艺如锻造和铸造在处理这些复杂成分的超合金时面临诸多挑战，如加工困难和表面质量不佳。LPBF作为一种数字增材制造技术，能够实现接近最终形状的加工，为难焊接超合金（HWSA）的生产提供了可行的解决方案。尽管LPBF技术取得了显著进展，其在工业中的广泛应用仍受到一定限制。因此，本文系统分析了LPBF技术在HWSA制造过程中涉及的微观结构演变、工艺参数、后处理技术和成形质量之间的相互作用，并对LPBF成形合金中出现的裂纹类型进行了分类，提出了相应的缓解策略。此外，文章还展望了未来研究方向，以解决现有局限并拓展LPBF在航空航天制造中的适用性。

在航空发动机和燃气轮机中，镍基超合金因其出色的抗蠕变、抗氧化和抗高温腐蚀性能而被广泛应用。然而，传统的铸造和锻造工艺难以满足复杂、薄壁、复合和集成结构的需求，尤其是在制造HWSA时。增材制造技术因其能够通过逐层沉积或逐粒堆积制造几乎任何复杂几何形状，近年来在航空航天领域得到了越来越多的应用。LPBF、激光定向能量沉积（L-DED）和激光工程净成形（LENS）是其核心方法。LPBF技术以其快速、复杂和个性化生产优势脱颖而出，例如L-DED技术适合修复大型部件，但会导致粗糙表面；LENS技术则存在表面精度低和材料浪费等问题；相比之下，LPBF技术在制造性能方面更为优越，能够实现接近完全致密的部件成形，具有显著的经济价值。

在制造HWSA时，LPBF技术面临着一系列挑战，如材料的低热导率和熔融状态下的低流动性。这些特性使得在高能激光照射下，材料更容易出现裂纹。为了克服这些局限，当前研究主要集中在对传统工艺优化和缺陷控制的渐进式改进。例如，通过微合金设计、工艺参数优化和后处理方法，实现了缺陷抑制和性能提升。近年来，研究人员开始利用实时监控、多物理场耦合模拟、复合陶瓷颗粒、机器学习以及激光束形状控制等技术，解决LPBF过程中的热应力、元素偏析和裂纹问题。

目前，关于HWSA的LPBF工艺研究仍处于初步阶段，存在一定的局限性。尽管已有几篇综述文章涉及LPBF在金属材料和高温镍基超合金中的应用，但专门针对HWSA的系统性综述仍显不足。现有的综述未能全面分析HWSA特有的元素偏析问题，对微观结构的机制理解仍不够深入，工艺参数和后处理的优化也显得过于简单，且性能应用的范围有限。本文旨在总结HWSA系统的当前研究进展，特别强调工艺、微观结构、缺陷、后处理与成形表面质量之间的关系，以促进HWSA在极端条件下的直接制造应用。

在LPBF成形的HWSA中，微观结构特征是研究的重点。这些合金通常包含多种元素，如铬、钼、铌和钛，使得它们在焊接过程中容易出现偏析和裂纹。通过逐层熔融和凝固，LPBF技术能够有效抑制宏观元素偏析，形成超细的亚结构，从而显著提高合金的常温机械性能。然而，HWSA的复杂化学成分导致其在成形过程中出现多种微观结构不均匀现象，这使得材料性能呈现出各向异性。为了改善这一问题，需要通过动态热场调节，如优化激光扫描策略或采用复合后处理技术，实现微观结构的均匀化。

此外，HWSA中的析出相对材料性能起着关键作用。γ'和γ''相作为主要的强化相，对HWSA的高温性能有重要影响。然而，γ'相在高温下会逐渐溶解，导致材料强度下降。因此，这些材料的时效处理应在低于650°C的温度下进行，以保持其机械性能。在LPBF过程中，析出相的形成与热力学条件密切相关，例如不同能量密度对析出相的影响，以及这些析出相如何影响材料的微观结构和性能。通过调节能量密度、优化扫描策略和调整成分，可以控制析出相的形成，从而改善材料的高温性能。

在LPBF成形的HWSA中，常见的缺陷包括气孔、球化和裂纹。其中，气孔是影响材料性能的最主要问题之一。气孔分为熔合不足气孔和匙孔两种类型，前者由于粉末层分布不均导致局部区域无法获得足够的激光能量而形成，后者则由于高能量密度引起。研究发现，通过优化工艺参数，如调整激光功率、扫描速度和扫描策略，可以有效减少气孔的形成。此外，通过添加碳元素，可以显著降低气孔密度并避免裂纹产生。对于K438合金，研究还表明，降低能量密度可以减少气孔数量，提高材料密度。

裂纹的形成机制同样复杂，涉及元素偏析和热应力。裂纹主要分为凝固裂纹（SC）、液相裂纹（LC）、韧性凹陷裂纹（DDC）和应变时效裂纹（SAC）。在LPBF成形的HWSA中，凝固裂纹和液相裂纹尤为常见，主要由于冷却速率和热应力的不均匀分布。通过优化能量密度和扫描策略，可以有效控制裂纹的形成。例如，增加扫描速度可以促进晶粒细化，减少裂纹的产生；而采用对角熔融策略可以降低局部热积累，减少热应力和裂纹形成。此外，通过调整成分，如降低钛和铝的含量，可以减少裂纹的敏感性。

在制造HWSA时，工艺参数的选择至关重要。激光功率、扫描速度、层厚和扫描策略是影响成形质量的关键因素。然而，不同合金的成分对这些参数的响应存在显著差异，且目前尚无统一的优化模型。因此，未来的研究应重点探讨多参数（激光功率、扫描速度和扫描策略）对熔池行为（流动、热分布）和微观结构演变的影响机制。通过结合机器学习和多物理场耦合模拟，可以建立预测模型，优化工艺参数，提高成形质量。

后处理技术在改善HWSA的性能方面也发挥着重要作用。常见的后处理方法包括固溶处理、时效处理和等温锻造（HIP）。固溶处理可以溶解γ'相，消除加工过程中形成的微观不均匀性，为后续时效处理做准备。时效处理则促进γ'相的再析出，提高材料的强度和硬度。HIP通过高温和高压处理，消除内部气孔和微裂纹，提高材料的密度和机械性能。然而，传统后处理技术如单步固溶处理和时效处理，往往难以完全消除残余应力和微缺陷。因此，未来的研究应开发复合后处理技术，如将HIP与梯度时效处理相结合，以进一步改善材料性能。

综上所述，HWSA的LPBF制造涉及多个方面，包括微观结构特征、析出相、缺陷形成和后处理技术。未来的研究方向应涵盖材料设计、工艺优化、激光束形状控制、实时监控与控制、机制探索以及性能扩展。这些研究不仅有助于解决现有问题，还将推动LPBF技术在HWSA制造领域的深入应用。通过这些努力，可以进一步提升HWSA在极端工作条件下的性能和可靠性，满足航空航天工业对高性能材料的迫切需求。