通过微锻造技术，采用交替微观结构设计来提高DED（直接电子沉积）工艺制备的K447A难焊超合金的抗热裂纹性能以及强度和韧性

《Journal of Materials Science & Technology》：Alternating microstructure design for enhancing hot crack resistance and strength-toughness in DED-processed non-weldable K447A superalloy via micro-forging

熔池裂纹抑制与力学性能协同优化：基于微锻造集成定向能量沉积的K447A超合金增材制造研究。摘要：采用集成微锻造（MF）与定向能量沉积（DED）的混合工艺，成功制备出裂纹-free的K447A超合金，其晶粒呈现柱状-等轴状交替结构。实验表明MF通过降低低熔点共晶含量（-62.3%）、调控残余应力（拉伸→压缩转换，降幅达43.7%）和优化晶界特征（长直晶界减少82.6%），显著抑制了熔化裂纹和固态裂纹的萌生。相较于传统DED工艺，混合工艺使水平抗拉强度提升28.4%，延伸率提高403.6%，延伸率各向异性指数从70.4%降至14.3%。

　　在现代材料科学与先进制造领域，高温合金因其卓越的耐热性能和机械强度，广泛应用于航空发动机、重型燃气轮机等关键部件中。然而，这些合金在增材制造（Additive Manufacturing, AM）过程中往往面临严重的热裂问题，这极大地限制了其应用范围和工艺可行性。特别是含有较高铝（Al）和钛（Ti）含量的合金，其热裂倾向尤为显著，通常被视为难以焊接的材料。因此，如何有效控制热裂问题，提升这类合金在增材制造中的性能表现，成为当前研究的重点。

本文研究的K447A合金正是这类高Al+Ti含量的代表性材料，其Al+Ti含量超过6 wt.%，导致其在传统制造过程中表现出较差的焊接性能。然而，随着增材制造技术的不断发展，尤其是激光直接能量沉积（Laser Direct Energy Deposition, L-DED）技术的成熟，该合金在快速制造和修复中的潜力逐渐显现。L-DED技术能够高效地构建大型、复杂几何形状的金属部件，并且具备较高的加工精度和设计灵活性。尽管如此，K447A合金在L-DED过程中的热裂问题仍然十分突出，成为制约其应用的关键瓶颈。

为了克服这一难题，研究团队提出了一种创新的混合制造工艺，即将L-DED与层间微锻（Micro-Forging, MF）相结合。该工艺通过在沉积过程中引入微锻操作，有效改变了K447A合金的微观结构，使其呈现出交替的柱状-等轴晶结构。这种结构不仅显著提高了材料的抗热裂能力，还改善了其横向力学性能，同时降低了各向异性。研究结果表明，该工艺能够显著减少低熔点共晶相的含量，从而抑制液态裂纹的形成。此外，微锻操作还改变了柱状晶的表面形态，促进了等轴晶在熔池底部的形成，打断了 epitaxial 生长模式，从而降低了固态裂纹的倾向。

热裂问题的形成主要受到冶金因素、局部应力水平以及沉积层中的晶粒形态的影响。其中，冶金因素和局部应力水平在近年来已得到较为深入的研究，但晶粒形态的影响仍被低估。在增材制造过程中，由于材料的固有 <001> 面向生长倾向以及沉积方向上的高热梯度，epitaxial 晶粒生长成为主导现象。这种现象不仅抑制了等轴晶的形核，还促进了 <001> 面向晶粒的优先生长。这种生长模式导致沉积层中形成大量的长直晶界（Grain Boundary, GB），这些晶界成为热裂产生的主要区域。同时，这种晶粒形态还赋予材料显著的各向异性，特别是在垂直方向（沉积方向）上，材料的韧性明显高于水平方向。

在增材制造过程中，热应力主要集中在水平方向，导致材料在水平方向上容易产生热裂。因此，改变晶粒形态成为解决非焊接性高温合金热裂问题的关键途径。近年来，一些研究尝试通过引入异质形核剂、超声振动或机械振动等方法来促进柱状晶向等轴晶的转变，以改善材料的微观结构和力学性能。然而，这些方法在制造关键航空航天部件时面临诸多挑战，例如合金成分的变化可能会影响高温性能（如热疲劳和蠕变），并导致氧化和腐蚀性能的下降，从而引入性能认证的障碍。

此外，外部磁场或超声场在L-DED过程中的应用也存在一定的局限性，包括工艺集成复杂性和实际应用的不广泛性。因此，这些方法在工程实践中的可行性尚未得到充分验证。相比之下，将微锻技术整合到增材制造过程中，成为一种具有前景的解决方案。微锻操作能够在沉积过程中引入塑性变形，从而促进微观结构的细化和缺陷的减少。例如，Xu等研究者通过将超声微锻技术（Ultrasonic Micro-Forging Technology, UMT）与L-DED相结合，成功处理了可焊接性较高的Hastelloy X和GH4169合金，显著改善了其微观结构和力学性能。同样，Felice等在电弧增材制造（Wire-Arc Additive Manufacturing, WAAM）过程中应用了层间热锻技术，成功实现了晶粒细化和强度提升。这些研究进一步表明，微锻技术在改善沉积层晶粒形态方面具有巨大潜力，能够有效抑制热裂问题。

然而，针对非焊接性高温合金的微锻技术应用仍较为有限，其对沉积层中柱状晶形态演变和相组成的影响尚未完全明确。因此，本文重点研究了如何通过微锻技术改变K447A合金在L-DED过程中的粗柱状晶结构，从而形成交替的柱状-等轴晶结构。通过系统的实验分析和理论探讨，研究团队揭示了这种微观结构演变的机制及其对热裂抑制的作用。研究结果表明，该工艺不仅显著提升了K447A合金的抗热裂能力，还增强了其横向力学性能，同时降低了各向异性。具体而言，横向抗拉强度提升了28.4%，延伸率则增加了403.6%，而延伸率各向异性指数则从70.4%降低至14.3%。这些数据充分证明了该工艺在提升非焊接性高温合金性能方面的有效性。

此外，研究还发现，微锻操作能够有效改变沉积层中的残余应力分布，将原本的拉应力转化为压应力，从而降低材料的热裂倾向。在热激活条件下，高度应变的微锻层会发生静态再结晶，主要通过亚晶旋转和孪晶终止的高能界面进行。这种再结晶过程不仅改善了材料的微观结构，还显著提升了其力学性能。同时，微锻操作还能够促进沉积层中微变形的快速积累，从而实现动态再结晶，进一步增强材料的强度和韧性。

综上所述，本文提出了一种创新的混合制造工艺，即通过将微锻技术整合到L-DED过程中，成功构建了具有交替柱状-等轴晶结构的K447A合金沉积层。该工艺不仅有效抑制了热裂问题，还显著提升了材料的力学性能，降低了各向异性。研究结果为提升传统难以焊接的高温合金在增材制造中的应用提供了重要的理论支持和实践指导。未来，随着该技术的进一步优化和推广，有望在航空航天和能源等领域实现更广泛的应用。