原位合金化策略用于提升增材制造IN718合金的高温性能和抗裂性

《Materials Research Bulletin》：In-situ alloying strategy for improving high-temperature performance and crack resistance in additively manufactured IN718

激光粉末床熔融原位合金化技术通过混合IN718与DD6粉末（4:1）制备裂纹-free高温合金，热处理优化释放HTSEs并形成多级强化显微结构，实现650℃下1252.77 MPa抗拉强度与13.82%延伸率。

　　这项研究提出了一种基于激光粉末床熔融（LPBF）技术的原位合金化方法，为设计和制造具有高γ'含量且无裂纹的高性能镍基高温合金提供了新的思路。通过将成熟的无裂纹高温合金粉末（IN718）作为基体材料，与富含高温强化元素（如Al、Ta和W）的单晶高温合金粉末（DD6）按质量比4:1混合，成功制备了无裂纹的AMS14合金。在构建过程中，引入了类似于漩涡状的微米级浓度调制（microCMs），其厚度仅约为5 μm，这种结构有助于提升材料的性能。研究进一步探讨了原位合金化和专门设计的热处理对微观结构形态、裂纹控制及力学性能的影响，揭示了其在抑制裂纹和增强性能方面的优势。

原位合金化技术的核心在于利用LPBF过程中熔池的快速冷却和复杂的热梯度，实现元素在微米尺度上的局部浓度调制。这种调制不仅能够优化材料的微观结构，还能有效控制裂纹的形成。在构建过程中，由于熔池的快速冷却和高温强化元素的分布不均，容易产生微尺度的元素偏析，进而影响材料的性能。然而，通过合理的材料混合和热处理工艺，可以有效缓解这种偏析现象，实现材料的均匀化和性能提升。研究发现，通过将IN718粉末与DD6粉末按一定比例混合，可以在构建过程中形成具有特定功能的微结构，这种结构不仅能够提高材料的强度和延展性，还能有效抑制裂纹的产生。

在构建后的状态中，材料表现出良好的无裂纹特性，这得益于基体材料的高延展性和微结构中的元素分布。通过专门设计的热处理工艺，可以释放微结构中的高温强化元素，使其充分沉淀并形成多级强化的微观结构。这种结构不仅提高了材料的综合性能，还使其在高温环境下表现出优异的力学性能。实验数据显示，AMS14合金在650°C下的抗拉强度达到1252.77 ± 22.31 MPa，延伸率则达到13.82 ± 0.89%。这些数据表明，通过原位合金化和热处理的结合，可以有效提升材料的性能，同时避免裂纹的产生。

研究还指出，传统的高温合金设计方法通常难以兼顾高含量的高温强化元素和低裂纹倾向。相比之下，原位合金化技术为设计和制造适合LPBF的高性能高温合金提供了新的途径。通过将不同合金粉末混合并在构建过程中实现元素的局部浓度调制，可以在不牺牲材料性能的前提下，有效控制裂纹的形成。此外，这种技术还能够实现对材料微观结构的精确调控，使其在高温环境下表现出更优异的性能。

在材料制备方面，研究选择了IN718和DD6两种粉末作为基础材料。IN718是一种成熟的无裂纹高温合金粉末，而DD6则富含高温强化元素，能够提供更高的强度和耐高温性能。这两种粉末均通过气体雾化法生产，粒径范围为15-53 μm。通过球磨机将它们按质量比1:4进行机械混合，确保了粉末的均匀分布。在构建过程中，混合后的粉末在激光作用下形成熔池，熔池的快速冷却和高热梯度有助于形成具有特定功能的微结构。

构建后的AMS14合金表现出良好的无裂纹特性，这得益于基体材料的高延展性和微结构中的元素分布。通过专门设计的热处理工艺，可以释放微结构中的高温强化元素，使其充分沉淀并形成多级强化的微观结构。这种结构不仅提高了材料的综合性能，还使其在高温环境下表现出优异的力学性能。实验数据显示，AMS14合金在650°C下的抗拉强度达到1252.77 ± 22.31 MPa，延伸率则达到13.82 ± 0.89%。这些数据表明，通过原位合金化和热处理的结合，可以有效提升材料的性能，同时避免裂纹的产生。

研究还强调了原位合金化技术在设计和制造高性能高温合金中的独特优势。与传统的合金设计方法相比，原位合金化能够在构建过程中实现元素的局部浓度调制，从而优化材料的微观结构。这种技术不仅能够提高材料的强度和耐高温性能，还能有效控制裂纹的形成。此外，原位合金化技术还能够实现对材料的多级强化，使其在高温环境下表现出更优异的性能。

通过这种技术，研究团队成功开发出一种新型的无裂纹高温合金，其具有较高的γ'相含量。这种合金的制备不仅提高了材料的综合性能，还为未来高性能高温合金的设计和制造提供了新的思路。研究还指出，这种技术的应用不仅限于高温合金，还可以扩展到其他类型的高性能材料，如钛合金和功能梯度材料。通过合理设计和优化材料的混合比例及热处理工艺，可以实现对材料性能的全面提升。

此外，研究还探讨了原位合金化技术在不同材料中的应用潜力。例如，在钛合金中，通过将316L和Ti-6Al-4V粉末混合，可以形成具有特定功能的微结构，从而实现材料的性能优化。在超高强度钢中，通过将A100和高Al钢粉末混合，可以实现对关键相如过稳定奥氏体、B2相和δ铁素体的优化，从而提升材料的强度和延展性。这些应用表明，原位合金化技术不仅能够提升高温合金的性能，还能在其他类型的材料中发挥重要作用。

综上所述，这项研究通过原位合金化和专门设计的热处理工艺，成功开发出一种新型的无裂纹高温合金，其具有较高的γ'相含量和优异的综合性能。这种技术的应用不仅提高了材料的性能，还为未来高性能材料的设计和制造提供了新的思路。通过合理设计和优化材料的混合比例及热处理工艺，可以实现对材料性能的全面提升。