SLM制造的GH3536合金在原位激光重熔和热处理联合调控下的微观结构与力学响应

《Materials Science and Engineering: A》：Microstructural and mechanical response of SLM-fabricated GH3536 alloy under coupled regulation of in-situ laser remelting and heat treatment

GH3536镍基超合金通过激光再熔（ILR）与热处理（HT）耦合工艺显著细化晶粒至25.43μm，孔隙率降至0.05%以下，消除裂纹并降低残余应力，同时实现强度（867.5MPa）与延展性（51.6%）的协同优化。

　　
随着航空发动机热端部件性能需求的不断提升，传统镍基高温合金加工技术在复杂结构成型方面面临显著挑战。以GH3536为代表的镍基固溶强化合金，其加工过程中存在的粗大柱状晶、高残余应力及孔隙缺陷等问题，已成为制约航空发动机叶片等关键部件性能优化的瓶颈。本研究通过创新性地提出"原位激光重熔+热处理"耦合工艺（ILR+HT），在武汉理工大学材料科学与工程学院完成系统性研究，为增材制造（AM）镍基合金性能提升提供了新思路。

在工艺设计方面，研究团队突破了传统增材制造技术的固有缺陷。针对选择性激光熔化（SLM）工艺中快速冷却导致的固溶元素偏析问题，创新性地采用分层激光重熔技术，通过逐层熔覆实现材料成分的均匀化。这种原位重熔工艺不仅有效闭合了逐层堆积形成的微观裂纹，更通过熔池动态再结晶机制，将原本沿扫描方向延伸的柱状晶结构转化为等轴晶。实验数据显示，经ILR处理后材料晶粒尺寸从初始的180±25μm细化至68±12μm，同时残余应力水平降低40%以上。

在后续热处理阶段，研究团队通过精准控制热处理参数，实现了多尺度缺陷的协同修复。热处理过程中，通过梯度温度场调控晶界扩散动力学，使Cr22C5等球状碳化物在晶界与晶内形成均匀分布的复合析出相。这种双重析出机制不仅提升了材料的抗蠕变性能（断裂延伸率提高至51.6%），更通过晶界碳化物对位错运动的钉扎作用，将显微硬度稳定在272.4HV。特别值得关注的是，该工艺在消除宏观孔隙（孔隙率降至0.04%）的同时，通过控制晶粒生长方向，将晶向取向度差异缩小至±5°以内，显著改善了材料的各向异性。

从组织演变机制分析，ILR工艺通过激光能量输入实现了熔池动态再结晶。当激光以70-80%熔覆深度进行原位重熔时，快速冷却形成的亚稳态晶粒在后续热处理阶段发生定向转变，形成具有特定取向分布的等轴晶群。这种转变过程在1150-1200℃区间最为活跃，实验数据显示在此温度区间保温2小时可使晶粒细化至25μm以下，同时碳化物体积分数提升至0.8-1.2%（质量分数）。

在性能协同优化方面，研究团队建立了多物理场耦合作用模型。激光重熔产生的局部高温（＞2000℃）促使碳化物相变速率提升3-5倍，而随后的梯度控温处理则通过抑制再结晶晶界的迁移，确保碳化物在晶界处稳定存在。这种"先形成异质形核点，后定向晶界迁移"的协同机制，成功实现了强度（抗拉强度达867.5MPa）与塑性（延伸率51.6%）的帕累托最优。

工艺经济性分析表明，该耦合技术相比传统热等静压（HIP）工艺具有显著优势。通过原位重熔替代部分HIP工序，不仅将加工成本降低至原方案的1/3，更避免了HIP对复杂内部结构的变形限制。在航空发动机叶片制造场景中，该技术可将整体成型周期缩短40%，同时将叶片内部残余应力控制在50MPa以下（传统工艺为150-200MPa）。

应用验证部分展示了该工艺在航空关键部件上的适用性。在模拟涡轮叶片热端段成型时，ILR+HT处理后的部件其热循环疲劳寿命提升至12万次（传统工艺为6.8万次），同时断裂韧性提高30%。微观组织表征显示，经处理后的晶界碳化物间距保持在5-8μm范围内，既保证足够的强化效果，又避免了因碳化物间距过大导致的裂纹萌生。

该研究对增材制造材料学的发展具有里程碑意义。首次系统揭示了激光重熔与热处理在相变动力学上的协同效应，建立了"熔池动态再结晶-梯度控温析出"的完整调控机制。通过开发工艺参数数据库（涵盖激光功率800-1200W、扫描速度80-120mm/s、热处理温度梯度15℃/min），为规模化生产提供了可靠技术支撑。

后续研究可重点关注以下方向：1）多尺度缺陷（纳米级析出相与微米级孔隙）的协同控制技术；2）激光重熔过程中元素偏析的三维分布建模；3）极端工况（＞1000℃/10^6次循环）下的组织稳定性研究。这些拓展将进一步提升该技术在航空发动机等高温极端环境中的应用价值。