综述：镍基高温合金选择性激光熔化中的微裂纹机制及抑制策略

这篇综述系统总结了选择性激光熔化（SLM）技术制备镍基高温合金的微观结构特征、微裂纹形成机制及抑制策略，重点探讨了快速热循环过程中高残余应力与γ′相、碳化物等强化相的协同作用对裂纹敏感性的影响，并提出通过成分优化（如调控B、Nb等元素）和异质颗粒引入等途径实现无裂纹SLM制件的技术展望。

　　

摘要

镍基高温合金在航空航天发动机热端部件制造中具有不可替代的地位，而选择性激光熔化（SLM）技术因其高精度和复杂成形能力成为该领域的研究热点。然而，SLM过程中极快的加热和冷却速率会导致高残余应力及元素微偏析，进而诱发固裂纹（如凝固裂纹和液化裂纹）。本文从微观结构特征出发，揭示了γ基体与γ′（Ni₃
(Al, Ti)）、γ″（Ni₃
Nb）等强化相的相互作用如何影响裂纹敏感性，并对比了工艺参数调控、成分优化（如降低B含量）和机器学习模拟等抑制策略的优劣。

引言

增材制造（AM）技术通过逐层堆积材料实现复杂构件的快速成形，其中粉末床熔融（PBF-LB/SLM）因激光束的高能量密度和精细聚焦能力，成为镍基合金制造的核心技术。镍基合金的高温性能依赖于多元合金元素（如Cr、Co、Mo）和密集析出相（如γ′、碳化物），但这也与SLM工艺的快速凝固特性形成矛盾——元素偏析和拓扑密堆（TCP）相（如μ、σ相）易成为裂纹萌生点。

当前研究现状

SLM成形过程中，高斯分布的激光能量在粉末床形成微米级熔池（图4），其非均匀热场导致枝晶外延生长和胞状结构细化（图9）。研究表明，IN738LC合金在能量密度（VED）42.9–62.5 J/mm3范围内可降低裂纹密度达87.5%，但过高的Mo、W含量会促进TCP相析出，消耗固溶强化元素并引发界面微裂纹。

微裂纹形成机制

裂纹主要分为两类：

1. 凝固裂纹：Scheil-Gulliver模型模拟显示，B、Si等元素在枝晶间偏析会扩大凝固区间，导致液膜滞留（图15）。
2. 液化裂纹：热影响区（HAZ）的局部重熔使低熔点相（如Laves相）液化，在应力作用下沿晶界开裂。

抑制策略

1. 工艺调控：调整激光功率和扫描策略可优化熔池形貌，例如采用棋盘式扫描降低残余应力。
2. 成分设计：引入TiN等异质颗粒可细化晶粒并钉扎裂纹扩展；通过CALPHAD计算降低CSC（裂纹敏感系数）值。
3. 模拟计算：机器学习结合有限元分析（FEA）能预测热裂倾向，而第一性原理可解析γ′/γ界面的结合能。

展望

未来需建立多尺度模型关联微观组织与宏观性能，并开发适用于SLM的专用合金体系（如低B高Nb配方）。通过跨学科融合，实现从“经验试错”到“计算驱动”的裂纹抑制范式转变。