铜添加新型SLM镍铬基高温合金的力学性能与抗燃烧协同机制研究

为解决航空发动机用镍基高温合金在富氧环境中的燃烧风险问题，研究人员通过选择性激光熔化(SLM)技术制备含铜镍铬基新型合金，系统研究了Cu含量对微观结构、力学性能及抗燃烧行为的影响。研究发现1.0-1.5 wt.% Cu添加可形成γ'-γ"共相夹层结构及Cu/Ni富集层，实现抗拉强度峰值(1.0 wt.% Cu)与最佳阻燃性(1.5 wt.% Cu)，为开发高性能抗燃烧合金提供理论依据。

　　

在航空发动机前端高温、高应力及富氧环境的严苛工况下，镍基高温合金面临严峻的金属燃烧风险。这种由异常传热、摩擦或颗粒冲击引发的燃烧行为，可能导致航天领域的灾难性事故。尽管铜(Cu)作为低燃烧热元素能显著提升材料阻燃性，但其在镍基合金中长期被视为杂质元素，关于Cu对微观结构影响的研究存在明显空白。更矛盾的是，既有研究对Cu在晶界偏析行为及其对力学性能的影响结论不一——有的认为Cu会降低合金强度，有的则指出其无显著影响。这种认知鸿沟严重制约了通过Cu添加实现力学性能与抗燃烧性协同优化的可能性。

针对这一挑战，中国航发北京航空材料研究院的研究团队设计了一种基于IN718合金改良的新型Ni-Cr基高温合金，通过选择性激光熔化(SLM)技术制备含Cu量0-2.0 wt.%的系列样品，系统探究了Cu添加对合金微观结构演变、力学性能及富氧燃烧行为的调控机制。相关成果发表在《Journal of Alloys and Compounds》上，为开发兼具优异力学性能和抗燃烧特性的新一代航空材料提供了重要理论支撑。

研究采用真空感应熔炼制备合金铸锭，通过气雾化法制备15-53μm预合金粉末。采用SLM技术成形不同Cu含量(0-2.0 wt.%)的合金试样，结合热处理工艺分析组织演变。通过Thermo-calc软件模拟相平衡，借助SEM、EBSD等技术表征微观结构，开展室温/高温拉伸测试评估力学性能，并采用改进的燃烧实验装置量化燃烧长度与速率等阻燃指标。

微观结构
热力学计算表明Cu添加不改变合金平衡凝固路径，但会降低液相线温度并提高δ相溶解温度。SLM成形态合金呈现柱状晶和胞状亚结构，Laves相沿胞界分布且特征尺寸随Cu含量增加而增大。1.0 wt.% Cu合金经热处理后出现沿晶界析出的δ相和具有三明治形貌的γ'-γ"共相，这种独特组织成为力学性能提升的关键。当Cu含量超过1.5 wt.%时，基体中开始出现未熔Cu粉末和孔隙缺陷。

力学性能
室温拉伸测试显示1.0 wt.% Cu合金达到峰值抗拉强度(提升约12%)，归因于Cu固溶强化效应与γ'-γ"共相协同作用。但过量Cu(>1.5 wt.%)会导致未熔颗粒引发的应力集中，使强度下降。高温(750°C)条件下，Cu添加对强度的提升效果更为显著，这与高温下Cu的扩散行为改变有关。

燃烧行为
燃烧实验表明阻燃性随Cu含量增加呈先增强后减弱趋势，1.5 wt.% Cu合金表现出最短燃烧长度和最低燃烧速率。微观分析揭示熔融区形成的Cu/Ni富集层能有效阻碍氧扩散，而热影响区出现的Ni_0.95Cu_0.05O氧化物进一步抑制燃烧动力学。值得注意的是，燃烧前沿呈现元素"选择性燃烧"特征，Cr元素优先氧化形成保护层。

结论与意义
该研究首次阐明了Cu添加通过三重机制提升SLM镍铬基合金性能：(1) 1.0 wt.% Cu优化γ'-γ"共相析出，实现强度峰值；(2) 1.5 wt.% Cu促进熔融区Cu/Ni富集层形成，阻断氧扩散路径；(3) Ni-Cu-O氧化物层抑制燃烧链式反应。这种"力学-阻燃"协同调控策略突破了传统合金设计中Cu被视为有害杂质的认知局限，为航天发动机关键部件材料设计提供了新思路。研究建立的成分-组织-性能关系模型，对开发适用于液氧输送系统等极端环境的新型抗燃烧合金具有重要指导价值。