《Materials Science and Engineering: A》：Synergistic optimization of strength–ductility in DED Ni-based superalloy via tailored ultra-high temperature short-term solution and rapid cooling treatment
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摘要通过热处理实现最优强度-韧性平衡，是增材制造（AM）镍基高温合金领域的一项重大挑战，尤其针对高温应用场景。由于增材制造合金具有显著的偏析特性，与传统铸造合金存在本质差异，传统热处理工艺并不适用于增材制造合金。本研究采用定向能量沉积（DED）技术制备了高γ′含量的ZGH45
摘要
通过热处理实现最优强度-韧性平衡，是增材制造（AM）镍基高温合金领域的一项重大挑战，尤其针对高温应用场景。由于增材制造合金具有显著的偏析特性，与传统铸造合金存在本质差异，传统热处理工艺并不适用于增材制造合金。本研究采用定向能量沉积（DED）技术制备了高γ′含量的ZGH451合金，并设计了一种定制的热处理工艺（HSSA工艺）以应对上述挑战。短期超高温固溶处理与快速淬火的协同应用，使合金在室温至1000 °C的宽温范围内实现了优异的强度-韧性协同效应，具体表现为：室温下（极限拉伸强度（UTS）：1317 MPa，延伸率：18%）、760 °C下（UTS：1235 MPa，延伸率：18%）以及1000 °C下（UTS：742 MPa，延伸率：33%）。短期超高温固溶处理有效缓解了元素微偏析，抑制了再结晶，并优化了γ′析出相的形貌。快速淬火通过抑制元素扩散和减小碳化物尺寸，进一步细化了晶界微观结构，从而显著提升了高温下的抗晶界滑移能力。这两种因素的协同作用使得晶界处的碳化物从有害的连续薄膜状结构转变为分散的纳米颗粒。在1000 °C下，经HSSA处理的合金部件的极限拉伸强度和屈服强度分别提高了44.3%和55.2%，同时保持了相当大的塑性变形能力。这些发现为提升增材制造镍基高温合金的强度-韧性匹配并优化热处理策略提供了重要见解。
引言
高性能镍基高温合金是现代航空航天和发电工业中关键热端部件不可或缺的材料 [1]，[2]。增材制造（AM），特别是定向能量沉积（DED），为将这些合金制造成具有内部冷却通道的涡轮叶片等几何复杂的热端部件提供了极具吸引力的途径 [3]，[4]，[5]，[6]。尽管潜力巨大，增材制造高性能镍基高温合金的广泛工程应用仍受到一个根本性且持续存在的局限的严重制约：一种显著的强度-韧性权衡关系，且随着服役温度升高而急剧恶化 [7]，[8]，[9]，[10]。在室温下，快速凝固所继承的高位错密度和超细枝晶结构可赋予合金高强度，但以严重受限的韧性为代价 [11]。当温度升高至高温区间（≥ 900 °C）时，支撑室温强度的亚稳微观结构特征经历快速热降解，而因粗大且往往呈连续分布的析出相而弱化的晶界则成为晶间开裂和早期失效的优先通道 [12]，[13]，[14]。这种显著的强度-韧性权衡是其广泛应用的关键障碍。
为应对上述挑战，后热处理不可或缺。然而，增材制造过程所继承的微观结构状态——其特征为高密度工艺诱导缺陷 [15]、严重残余应力 [16]、显著的元素微偏析 [17]以及非平衡析出相形貌 [18]——对热处理设计提出了一系列内在相互矛盾的苛刻要求。这些矛盾可概括为三个相互关联的矛盾：(i) 缺陷修复与微观结构粗化之间的矛盾：热等静压（HIP）可有效封闭内部孔隙，但其高温和长时间处理不可避免地促进晶粒生长并使有益的细小结构粗化 [19]，[20]；(ii) 再结晶抑制与均匀化完成之间的矛盾：构建态合金中的高位错密度为固溶处理期间的再结晶提供了强大的驱动力，而再结晶会破坏择优取向的定向柱状晶结构，不利于高温性能 [21]；(iii) 晶内γ′优化与晶间析出相细化之间的矛盾：高温固溶处理促进晶内均匀化的同时，也驱动碳化物形成元素（Mo、Ta、W）向晶界持续扩散，并在晶界处以粗大的脆化薄膜或块状颗粒形式析出 [22]，[23]。因此，通过定向的后处理克服这一温度依赖性的强度-韧性冲突，已成为增材制造高温合金领域的核心挑战之一。
为应对上述挑战，研究人员通过针对这一多变量问题的各个具体方面进行了大量研究，但每种方法都不可避免地受到矛盾相互关联性质的局限。例如，Kang等人研究了不同热处理制度对DED制备IN738LC合金性能的影响；虽然通过不同热处理制度可以改善屈服强度或塑性，但无法通过同一制度同时实现二者的提升 [24]。Suyalatu等人采用热等静压结合直接时效工艺用于CML247LC合金的增材制造 [25]。尽管工艺流程得以简化，但高温拉伸和蠕变性能仍受初生γ'相粗化和晶界析出相分布的制约。从这些研究中浮现出一个统一的模式：现有方法，无论是短期固溶、仅HIP方案还是铸造适应型多步热处理，始终表现出零和特征，即一项性能指标的提升以牺牲另一项为代价。这一缺点对于具有高体积分数γ'强化相的高性能镍基高温合金尤为关键 [26]。这些合金专为900 °C以上的优越承载能力而设计，在此温度下双重挑战更为严峻。高合金化含量加剧了凝固偏析 [27]，广泛的γ/γ′界面面积增加了对析出相均匀性的敏感性，而高温服役激活了晶界滑移和扩散 [28]，从而放大了不连续晶界析出相的影响。然而，针对这些高γ′分数高温合金，系统性优化增材制造后热处理以实现高温强度-韧性协同效应的研究仍明显不足。
本研究采用DED技术制备了一种名为ZGH451的镍基高温合金，该合金具有高γ'相体积分数和低裂纹敏感性。先前研究已系统考察了ZGH451合金的可打印性兼容性 [29]，[30]，[31] 和高性能 [32]，[33]。本文报道了一种专用的多阶段热处理协议，称为热等静压+短期固溶处理+时效（HSSA）。该协议通过利用增材制造高温合金固有的特征偏析长度尺度实现快速均匀化，同时有效抑制再结晶。此外，采用受控极端淬火动力学解耦晶内与晶间析出相的演化，从而实现了宽温范围内强度与韧性的均衡组合。本文分析了HSSA工艺对ZGH451合金微观结构演变和力学性能的影响。本研究结果提供了一套新型定制化的增材制造高性能镍基高温合金热处理方案，成功实现了微观结构与力学性能的协同优化，为其在涡轮叶片等制造领域的应用提供了理论基础和技术支持。
章节摘要
材料与DED工艺
采用粒径范围为45至180 μm的氩气雾化球化ZGH451粉末作为原材料。粉末的名义化学成分列于表1。试样使用LDM400系统制备。以尺寸为150 mm × 150 mm × 20 mm的不锈钢板作为基板。主要DED参数如下：激光功率1800 W，扫描速度12 mm/s，层厚300 μm，光斑直径2.5 mm，搭接率40%。
初始微观结构
如图2(a)所示的腐蚀ZGH451合金SEM图像所示，AB试样呈现细枝晶结构，平均横向间距为20–30 μm，主要沿构建方向排列。枝晶芯（DC）和枝晶间区域（IR）的微观结构由典型的γ/γ'相组成。枝晶芯处的γ'相（图2(b)）比枝晶间区域（图2(c)）更小，但呈现更规则的立方形状，表明
HSSA处理中晶界纳米碳化物的形成机制
热处理后的晶界脆化是增材制造高温合金面临的关键挑战 [40]，[41]。由于DED工艺固有的快速凝固和冷却特性，晶界和枝晶间区域容易诱发严重的微偏析 [42]，[43]。当采用传统的长时间高温固溶处理时，偏析区域内的低熔点共晶相（如γ/γ′共晶）将
结论
本研究提出了一种针对DED制备ZGH451高温合金的改良热处理方案，旨在实现高拉伸强度、适当韧性、最小化缺陷和无再结晶之间的最优平衡。本研究的主要结论如下：
- (1)
HSSA工艺减少了微偏析和孔隙，同时保留了强烈的?001?织构。它促进了更大的立方γ′析出相和分散的晶界M6C纳米颗粒的形成，实现了协同
CRediT作者贡献声明
卢楠楠：写作 – 审阅与编辑。周一舟：写作 – 审阅与编辑。李金国：写作 – 审阅与编辑、监督、经费获取、概念构思。朱玉平：方法学、调查研究。梁晶晶：写作 – 审阅与编辑、监督。孙飞：写作 – 审阅与编辑。谢军：写作 – 审阅与编辑。陈佳旺：写作 – 原稿撰写、方法学、调查研究、形式分析、数据管理。宋伟：写作 – 审阅与编辑、形式分析，
利益冲突声明
? 作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争经济利益或个人关系。
致谢
本研究获得以下资助：先进材料-国家重点研发计划（项目编号：）、国家自然科学基金（项目编号：）、辽宁省博士科学启动基金（项目编号：2025-BS-0166）以及辽宁省重大科技项目（项目编号：2024JH1/11700038）。作者对此表示衷心感谢。
陈佳旺 | 宋伟 | 吴浩然 | 朱玉平 | 梁晶晶 | 孙飞 | 谢军 | 卢楠楠 | 周一舟 | 李金国
