增材制造镍基高温合金的微观结构演变与力学性能调控：从熔池动力学到工业应用

本综述系统分析了增材制造(AM)镍基高温合金的研究进展，聚焦于激光/电子束粉末床熔融(L-PBF/E-PBF)和定向能量沉积(DED)技术，揭示了工艺-微观结构-性能之间的内在联系。研究人员通过整合最新研究成果，阐明了熔池动力学和冷却速率如何调控晶粒结构、微/宏观织构、微观偏析和相演变(强化γ′/γ″相与有害Laves/TCP相的竞争)，并系统评估了孔隙、未熔合、热裂纹等关键缺陷对拉伸响应、硬度稳定性和蠕变/疲劳抗力的影响。研究明确了实用工艺窗口，提出了基于功率、扫描速度、层厚等参数的优化策略，总结了通过热处理(去应力、固溶/时效、热等静压)减少缺陷、调控亚稳组分和恢复近各向同性的后处理路径。该综述为工程化调控AM镍基高温合金的微观结构和性能提供了实用指导，对加速航空航天和能源领域关键服役环境下的工业认证具有重要意义。

　　

镍基高温合金作为航空航天、能源和发电领域的关键材料，因其在极端热机械应力环境下仍能保持高机械强度、优异抗氧化性、抗热腐蚀和微观结构稳定性而备受青睐。然而，传统制造方法在制造复杂几何形状的高性能部件时面临诸多限制。增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术，特别是金属增材制造（Metal Additive Manufacturing, MAM），通过逐层堆积材料的方式，为制造近净形零件提供了前所未有的设计自由度，不仅显著减少材料浪费，还能实现损伤部件的修复，降低整体更换需求。尽管AM技术取得了显著进展，但其过程稳定性、结果可重复性以及由于不均匀冷却导致的微观结构变化等问题，仍然是实现高可靠性应用的重大挑战。特别是在制造高性能镍基高温合金时，如何精确控制工艺参数以优化微观结构、减少缺陷并保证力学性能的均匀性和可靠性，成为当前研究和工业应用的核心难题。

为了深入理解并解决这些挑战，研究人员在《Results in Engineering》上发表了系统性综述，全面分析了AM镍基高温合金的微观结构特征和力学行为，重点探讨了加工条件和后处理对材料性能的影响。研究团队通过整合大量近期研究成果，强调了枝晶结构、第二相析出和缺陷形成等关键微观结构特征对力学性能的显著影响，并详细检验了热处理对相变和力学性能增强的作用。该研究不仅系统评估了AM工艺对镍基高温合金微观结构和力学性能的影响，还特别关注了广泛使用的粉末床熔融（PBF）和定向能量沉积（DED）技术，分析了制造这些合金面临的挑战，并评估了工艺参数、热历史和微观结构变化对制备部件力学行为的影响。

研究采用了多种先进技术方法以确保分析的全面性和准确性。首先，通过ISO/ASTM标准对AM技术进行了系统分类，明确了PBF（包括激光基L-PBF/M和电子束基E-PBF/M）和DED（根据能源和 feedstock 类型分类，如DED-LB/P, DED-LB/W等）两大技术家族的特点和应用范围。其次，利用数值模拟和实验验证相结合的方法，深入分析了熔池动力学、冷却速率（G）和凝固速率（V）对晶粒结构、织构演变和缺陷形成的影响机制。研究还广泛采用了微观结构表征技术（如SEM、EBSD、TEM）来观察晶粒形貌、析出相分布和边界特征，并通过力学性能测试（包括室温/高温拉伸、硬度、蠕变和疲劳测试）来建立微观结构与性能之间的关联。此外，通过设计实验（DOE）方法系统优化了工艺参数（如激光功率、扫描速度、 hatch间距），并利用热等静压（HIP）、固溶处理和时效处理等后处理工艺来改善材料性能。部分研究还涉及了基于人工智能（AI）的工艺优化和原位监测技术，以提升过程控制的智能化水平。

研究结果部分详细阐述了AM镍基高温合金的微观结构演化及其对性能的影响。

在“晶粒结构：从形核到各向异性”部分，研究发现AM部件的晶粒形态受电子或激光功率、扫描速度、粉末或丝材进给速率以及扫描策略等多个关键参数的影响。沉积层的晶粒通常沿着晶体学上有利的方向取向，通常与基底层晶粒取向相连，导致外延晶粒生长，其中柱状晶粒沿热流反向跨层延伸。在L-PBF镍基高温合金（具有FCC晶体结构）中，晶粒生长机制受热梯度和弹性模量控制。[001]方向的较低弹性模量有利于柱状晶的形成。通过调整温度梯度（G）与凝固速率（V）的比值（G/V），可以驱动柱状向等轴转变（CET），并设定控制偏析场的细胞/初级枝晶臂间距（PDAS）尺度。各向异性源于外延生长和重叠熔池内的热记忆。工艺杠杆——能量密度、扫描矢量旋转、光束整形和基底预热——提供了可预测的途径来调整晶粒长宽比和误取向分布。这些发现对疲劳和蠕变具有直接影响：柱状织构提高了定向强度但集中了应变；而当γ′连续性降低时，等轴结构虽降低了各向异性却牺牲了蠕变抗力。

在“第二相揭示：析出物与强化现象”部分，研究表明热历史和化学成分通过促进额外析出和金属间相的形成显著影响AM过程。融合基AM技术具有103-108°C/s的快速冷却速率，由于高冷却速率和低热梯度，形成了具有高位错密度的精细枝晶晶粒结构。预热基底 critically 影响析出物的尺寸分布。冷却速率和枝晶臂间距是AM过程中的关键因素，影响微观偏析和相变。在E-PBF中，冷却速率比激光基AM工艺（如L-PBF和DED）高1000倍，因此E-PBF促进更粗的枝晶结构和更大的微观偏析。E-PBF中的预热有利于析出物生长，导致更大的平均析出物尺寸，尽管总体分数较低。在铌（Nb）驱动合金（如718/625型）中，γ″和δ相遵循独特的路径，不应与γ′化学混淆。在激光基AM Inconel 718中，一个突出的析出相是Laves相，它对延伸率性能有不利影响。Laves相的稳定性取决于温度。在650°C暴露3000小时的热循环处理后仍保持稳定，但在更高温度下溶解到γ基体中。LPBF Inconel 718的快速凝固减少了δ相形成的可能性，但温度升高促进δ相形成。元素偏析在AM镍基高温合金的凝固行为和相演变中起着关键作用。在AM凝固过程中，快速的热梯度和非平衡条件导致局部成分变化，特别是在枝晶间区域，Nb、Ti、Hf和Ta等元素由于其低扩散率和高熔点而倾向于偏析。这种偏析促进了第二相的形成，包括δ（Ni₃Nb）、Laves和NbC，每个都对合金的机械性能有 distinct 影响。

在“边界处：AM合金中的晶界界面动力学”部分，研究发现各种因素影响边界特征，例如凝固过程中的快速冷却导致SGB（锯齿状晶界）的形成。AM样品中晶界的一个显著特征是误取向角。通过AM生产的As-built样品通常呈现小角度晶界（LAGB）。然而，后处理，如热处理，减少了LAGBs的数量并用HAGBs（大角度晶界）取而代之。AM晶界化学和拓扑继承了凝固路径：在含Nb和Ti的合金中，微观偏析促进δ或碳化物沿边界形成，而重熔诱导的愈合可以局部钝化边界缺口。有针对性的方案——短暂的超固溶线固溶以溶解边界处的δ，当需要晶粒稳定性时进行亚固溶线时效以重新钉扎边界，以及HIP以关闭边界连接的孔隙——在不牺牲析出强化的前提下优化了边界强度。

在“纹理问题：晶体学趋势与热记忆”部分，研究表明理解AM过程中的晶体学织构对于评估打印部件的机械性能至关重要。制造参数对织构变化的显著影响引起了研究人员的注意，促使探索加工条件和 resulting 织构之间的相关性。改变制造参数，如热输入和热梯度，在决定织构方面起着关键作用。与构建方向对齐的晶体学织构（<001>或Z轴）是PBF系统中的关键因素。扫描策略，涉及连续层之间的交替移动和多次旋转，鼓励沿构建方向发展粗大柱状结构。这导致由于定向晶粒生长而形成与Z轴对齐的纤维织构。虽然将晶粒与凝固前沿或最大热梯度方向对齐在单光束通过 scenarios 中是有益的，但在部件制造过程中保持这种对齐是具有挑战性的。因此，晶粒倾向于沿构建方向取向，塑造整体织构。构建方向织构源于外延和定向热流，偏向弹性/塑性各向异性和疲劳裂纹路径。交叉孵化、岛策略和扫描矢量旋转降低了织构锐度；E-PBF预热进一步缓和了热梯度。织构-性能联系应通过Schmid因子分析和取向相关的拉伸/蠕变数据来报告，以便 contextualize 设计许用值。

在“成分混沌：分层制造中的微观偏析”部分，研究发现由于所涉及的高冷却速率，微观偏析在AM中很常见。在通过DED制造的Inconel 625中，观察到Ni、Cr、Mo和Nb等元素的微观偏析。这是因为快速凝固过程捕获了溶质原子，导致溶质捕获，因为原子重排速率在短程液/固凝固区超过了扩散机制。然而，在900、1000、1100和1200°C的固溶处理逐渐消除了微观偏析，导致更均匀的元素分布。微观偏析和枝晶间富集在Nb/Mo（以及局部Al/Ti的耗尽）为γ″/δ/Laves的形成以及 aging 后的γ′不均匀性设定了初始条件。通过更高的冷却速率减少PDAS，优化重叠以增强重熔，以及采用平台预热来调节热梯度，共同缩小了偏析长度尺度。后构建均质化对718/625型成分有效，但必须与晶粒生长和γ′粗化相平衡在γ′强化合金中。

在“孔隙难题：从过程到性能的缺陷”部分，研究表明孔隙是DED过程中的常见缺陷，主要来自三个来源。keyholes 由于高能量密度导致的局部汽化而形成，通常表现为大的圆形或拉长空隙。keyholes 通常是由于AM过程中过度的激光能量形成的，在熔池中产生深而窄的空腔。这些空腔可以捕获气体并凝固，导致不规则形状的孔隙。keyhole 孔隙的特点是其不规则形状，通常类似于拉长或不规则的空腔。这些孔隙可以显著降低材料的机械性能，包括其疲劳强度、刚度和断裂韧性。它们通常位于内部体材料和沉积层之间，这可以 critically 影响部件的结构完整性。气孔是在凝固过程中气体被困在熔池中时形成的。这可能由于激光能量不足或保护气流不当而发生，导致气泡夹陷。气孔通常是球形且形状均匀，这将它们与不规则形状的keyhole孔隙区分开来。虽然气孔也对机械性能产生负面影响，但它们的影响有些不同。它们主要降低延展性，并可能导致拉伸应力下的过早失效，特别是当与构建方向对齐时。keyholes和气孔是Ni基高温合金AM中的显著缺陷，它们可以 substantially 影响最终部件的机械性能。keyholes 是由于AM过程中熔池的不稳定性形成的，通常受激光扫描速度和环境压力的影响。制造参数敏感，它们的形成可以通过优化这些参数来缓解。keyhole 孔隙可导致内部缺陷的形成，如位错和相变，从而降低拉伸