综述：从熔池到性能：镍基高温合金增材制造中的微观结构工程综述

本综述系统分析了增材制造（AM）镍基高温合金的最新进展，重点探讨了加工-微观结构-性能之间的关联，涉及航空航天和能源领域热端部件（如涡轮叶片、燃烧室和喷射器）的认证。文章比较了激光/电子束粉末床熔融（L-PBF/E-PBF）和定向能量沉积（DED）技术，阐释了熔池动力学和冷却速率如何调控晶粒结构、界面特征、微观/宏观织构、微观偏析以及相演化（强化相γ′/γ″与有害Laves/TCP相的对比）。同时，综述还识别了关键缺陷（如孔隙、未熔合、热裂纹和残余应力）及其对拉伸响应、硬度稳定性和蠕变/疲劳抗力的影响，并提出了工艺窗口优化策略和后处理路线（如热等静压HIP），为AM镍基高温合金的工业认证提供了实用指导。

　　

2. Ni-based superalloys additive manufacturing

在金属增材制造领域，镍基高温合金的加工主要依赖粉末床熔融（PBF）和定向能量沉积（DED）两大类技术。根据ISO/ASTM标准，PBF可进一步分为激光基（PBF-LB/M）和电子束基（PBF-EB/M）方法，而DED则按能量源和原料类型分类（如DED-LB/P、DED-LB/W等）。激光粉末床熔融（L-PBF）以其高尺寸精度和可达99.99%的致密度著称，而电子束粉末床熔融（E-PBF）则优先考虑真空稳定性和高预热条件。DED技术虽然沉积速率更高，适用于大尺寸部件或修复应用，但通常表面粗糙度较大，残余应力较高。热历史在不同方法间差异显著：L-PBF冷却速率最高，DED最低，E-PBF居中。这种热 regime 直接影响晶粒尺寸、织构以及柱状到等轴晶的转变，由温度梯度（G）、凝固速率（R）和扫描策略共同调控。缺陷形成与能量输入紧密相关：低体积能量密度易导致未熔合孔隙，而过高的输入则引发匙孔孔隙。工艺参数如激光功率、扫描速度、 hatch 间距等显著影响零件密度和熔池行为。对于镍基高温合金，元素如Nb、Al、Ti的微观偏析会促使脆性相（如Laves和TCP）形成，降低延展性和疲劳寿命。快速冷却可减少Laves相含量，但低G/R比和粗大析出相仍可能成为裂纹萌生点。通过热处理（如固溶+时效）和热等静压（HIP）可重新分布析出相、松弛残余应力，改善各向同性和高温稳定性。从工业视角看，金属AM支持零件整合和内部冷却通道的制造，实现近净形生产，买飞比可达～1:1至3:1，材料节省约30–50%。但可靠认证仍需严格的质量控制、原位监测以及跨平台的一致性。

3. Melt Pool Chronicles: Microstructural Evolution in AM Ni-Superalloys

AM技术提供复杂的热循环，使得零件微观结构难以预测。快速冷却速率（10³-10⁸ °C/s）导致细晶粒和非平衡相形成。预热基底可减少热梯度，延长冷却时间，降低残余应力。L-PBF、DED和E-PBF通常产生沿构建方向生长的柱状晶结构，横向则为等轴晶。不同扫描策略会导致不同程度的 epitaxial 和非 epitaxial 凝固，影响织构倾向。冷却速率在技术间差异显著：L-PBF最高，DED最低，E-PBF居中。这导致L-PBF中晶粒更细、织构更强，而DED微观结构更粗大。过程参数如激光功率、扫描速度等对晶粒尺寸有直接影响：高激光功率促进柱状晶生长，而低功率或特定模式可鼓励等轴晶形成。扫描速度增加一般会细化晶粒结构，但可能局部粗化，影响机械性能。送丝/送粉速率影响熔池特性和凝固行为，更高送粉速率可减少杂散晶粒形成。扫描策略（如 island 扫描）通过局部平衡热输入减少热梯度，旋转策略（如45° inter-island 和67° inter-layer 旋转）促进均匀热分布，最小化各向异性晶粒生长。纹理方面，构建方向（<001>或Z轴）的 crystallographic 纹理是PBF系统的关键因素。连续变化的束流可产生复杂的立方纹理，而线扫描则产生纤维纹理组件。纹理评估对理解再结晶行为至关重要，存储能量随不同纹理变化，影响再结晶行为。热输入和热梯度直接影响纹理演变，高激光功率和低扫描速度鼓励柱状晶沿构建方向生长，增强〈001〉纹理。反之，高扫描速度减少熔池重叠，限制 epitaxial 生长，可能导致更等轴的晶粒结构。

3.1. Grain Architectures: From Nucleation to Anisotropy

晶粒形态受电子/激光功率、扫描速度、粉末/丝材送进率和扫描策略等关键参数影响。沉积层的晶粒通常与 crystallographically 有利方向对齐，常连接到基底层晶粒取向，导致 epitaxial 晶粒生长，其中柱状晶层间沿热流反方向延伸。在L-PBF镍基高温合金（FCC晶体结构）中，晶粒生长机制受热梯度和弹性模量调控。[001]方向的较低弹性模量有利于柱状晶形成。热梯度向量G影响三个 distinct 晶粒生长区：中心区（G_z主导）柱状晶主要沿[001]方向生长；远离中心（B区），[010]和[001]方向晶粒竞争，导致柱状和等轴晶共存；熔池边缘（C区），G_z主导，晶粒生长垂直于构建方向。柱状到等轴转变（CET）在熔池内发生，由高冷却速率和低热梯度驱动。降低热梯度可影响微观结构，促进熔池中心等轴晶。层间热梯度变化（如上层层拉伸应力、下层层压缩应力）诱导柱状晶形成。在AM过程中，晶粒结构演化受单个焊道和连续轨迹/层复杂影响。竞争生长在重叠区域（尤其远离熔池中心）导致蜂窝结构。优先沿[001]方向生长导致熔池中心拉长晶粒。竞争生长加上扫描策略引起构建方向晶粒取向变化。例如，锯齿扫描策略导致柱状晶相应锯齿模式，边界处等轴晶 fraction 更高。冷却速率变化显著：L-PBF极高，DED较低，E-PBF居中。这导致L-PBF晶粒更细，DED晶粒更大（如预热进一步降低冷却速率，增加 primary cellular arm spacing-PCAS和更粗微观结构）。E-PBF冷却速率足以产生细枝晶结构，但不如L-PBF细化。 primary dendrite arm spacing（PDAS）在E-PBF中通常小于传统铸造但大于L-PBF。冷却速率还影响溶质分布和偏析行为：L-PBF高冷却速率导致枝晶间区域显著溶质偏析，促进碳化物相形成，增加液化裂纹敏感性；DED较慢冷却速率 facilitate 更均匀溶质再分布，减少微观偏析程度；E-PBF中等冷却条件通过优化热管理策略实现受控微观偏析。由于冷却速率变化（尤其E-PBF中较低冷却速率和预热基底），微观结构演化在E-PBF和DED过程中比L-PBF更显著。在E-PBF中，增加构建高度导致更宽柱状晶，突出冷却速率对晶粒尺寸的影响。E-PBF和DED过程中较慢冷却速率促进 epitaxial 生长，导致更主要<001>织构 compared to L-PBF镍基高温合金。扫描参数选择在AM过程中对晶粒类型至关重要，促进CET和减少各向异性，有效抑制裂纹扩展。后续热处理显著影响最终微观结构：采用超固溶线热处理可导致更细化且各向同性晶粒结构。不足温度减少析出相钉扎效应，晶粒结构基本不变。E-PBF与L-PBF相比预处理过程导致冷却速率降低，影响晶粒结构粗化。此外，利用激光重熔在初始扫描时5%能量密度显著修改晶粒结构，考虑低角度晶界（LAGBs） fraction 和平均 misorientation 角减少。这些LAGBs作为潜在裂纹萌生点。技术如激光冲击喷丸和高压轧制已引入松弛拉伸残余应力（促进裂纹）通过诱导压缩应力。在AM-LDMD Inconel 625中，顶部和底部区域报告不同晶粒尺寸：顶层显示细柱状枝晶 alongside 经典二次枝晶， due to 预沉积层中二次枝晶臂增加成核位点；底层显示柱状枝晶结构无二次枝晶， due to 高冷却速率和凝固速度。AM零件横截面分析显示从柱状到枝晶形式的清晰微观结构转变，由冷却速率从底层到顶层逐渐减少驱动（平均一次枝晶臂间距从底层～μm到顶层～1.5-2.5μm）。构建方向（Z方向）晶粒形态变化：垂直方向（XY平面）晶粒形态等轴，平行方向（XZ平面）柱状形状。 as-built AM零件晶粒结构主要特征为沿沉积方向对齐的 epitaxial 生长柱状晶。这些柱状晶宽度随特定AM技术和各种加工参数（如冷却速率和温度梯度）显著变化。为阐明AM中凝固形态，研究人员广泛认可两个关键参数：温度梯度（G）和凝固速率（V）。许多研究利用温度梯度与凝固速率比（G/V）说明凝固形态。随G/V比减少，凝固形态序列遵循：平面→蜂窝→枝晶→柱状枝晶→等轴枝晶。增加固溶温度可转变 as-built 形态（特征为 epitaxial 柱状晶）为等轴形态。平面凝固形态受G和V值影响：增加G和减少V促进平面形态形成；反之，减少G和增加V鼓励等轴形态形成，可通过后处理热处理调整。熔池内变化凝固条件显示温度梯度从底部到顶部区域减少，而V逐渐增加，导致AM零件底部平面形态 due to 高G和低V。AM中晶粒形态受高度依赖热 profile 影响，通常沿构建高度变化。因此，AM零件顶层显示粗大晶粒结构 due to 较低冷却速率。增加固溶温度导致层边界消失，促进等轴形态形成 due to 高V和低G，可能导致再结晶现象。AM参数如激光功率、扫描速度和 hatch 间距显著影响 as-built AM零件晶粒尺寸。扫描速度是影响冷却速率的关键因素， thereby 改变微观结构从粗大到细等轴晶通过快速冷却机制 induced by 更高扫描速度。激光功率对晶粒高度和宽度显著性，如P值（<0.05）指示。具体地，增加激光功率导致晶粒高度相应增加。高激光功率增加熔池尺寸，导致更粗晶粒 due to 较慢冷却速率，可能导致更大PDAS和更显著元素偏析。低激光功率促进 epitaxial 生长，导致更细晶粒结构， due to 更小熔池冷却迅速，鼓励细晶形成。更高激光功率倾向于促进柱状晶生长 due to 更大热梯度和较慢冷却速率，这些晶粒 epitaxially 从基底生长，可能导致各向异性机械性能。更低激光功率或特定激光模式（如准连续波）可促进等轴晶形成，更均匀，可改善机械性能各向同性。高激光功率可增加缺陷如热裂纹和孔隙可能性 due to 更大熔池和较慢凝固速率，这些缺陷常与更粗晶粒结构和更高热应力相关。低激光功率减少此类缺陷风险通过促进更细晶粒结构和更快凝固，帮助最小化热应力。PDAS随更高激光功率增加，导致更粗微观结构。更低激光功率导致更细