综述：铼合金粉末在增材制造中的应用：现状与挑战

《Journal of Alloys and Compounds》：Use of Rhenium Alloyed Powders in Additive Manufacturing: Current Status and Challenges

　　摘要：由于铼具有极高的熔点、优异的固溶强化能力，以及能在极端使用条件下提升微观结构稳定性，因此作为合金元素在增材制造领域越来越受到关注。本综述对通过粉末床熔融技术处理的含铼合金粉末进行了全面且系统的比较分析，重点研究了以钛、镍、钨和钼为基体的合金体系。研究重点包括粉末制备工艺、铼的溶解行为、气孔形成机制、微观结构演变过程，以及这些因素对材料力学性能的综合影响。现有研究表明，铼的添加会对不同合金体系的性能产生差异化的影响：在钛基合金中，铼可促进晶粒细化并稳定相结构，从而显著提升材料的屈服强度、抗拉强度和硬度，但会降低其延展性和疲劳强度；在钨基合金中，铼可通过优化晶粒结构和提高相对密度来有效降低裂纹风险，进而提升材料的延展性和结构完整性，尽管硬度提升有限；在钼基合金中，铼可通过固溶效应和改变位错行为来提升高温强度和压缩延展性，不过低浓度的铼可能会使材料在室温下变软。而在镍基超合金中，铼带来的力学性能提升相对有限，且其效果很大程度上取决于粉末制备工艺、加工参数及后续处理方式，不过这类合金的抗氧化性和耐腐蚀性通常会有所改善。需要指出的是，铼并非单纯的强化元素，而是一种具有战略意义的合金添加物，能够从根本上提升增材制造合金体系的加工性能、微观结构稳定性以及高温性能。

引言：在高温环境下具有高熔点和优异机械性能的难熔金属对于极端环境下的应用至关重要[1]。这类金属的熔点通常超过2000℃，晶体结构多为体心立方或六方密堆积结构。钨、钼、钽、铌和铼等难熔金属因其出色的物理化学性质而被广泛应用于各类工程和工业领域。它们具备生物相容性、低热膨胀系数、超导性、高热导率和密度，以及高熔点、高温高强度、优异的抗蠕变性能和抗液态金属腐蚀能力[1][2][3]。此外，这些金属在能源生产领域也发挥着重要作用，由于具有优异的高温和强化学环境耐受性，被广泛用于核反应堆和燃气轮机引擎等系统中，为设备提供可靠安全的运行环境[4][5]。然而，由于其高熔点和极高硬度等特性，传统制造方法难以大规模生产这些金属，且存在诸多技术难题[4][6]。在此背景下，与难熔元素合金化成为应对极端环境挑战的优选方案。表1展示了这类材料的部分物理和机械性能数据。

在所有难熔金属中，铼是地壳中最稀有的金属之一，根据美国地质调查局的数据，其含量估计仅为十亿分之1[8]。它是最后被发现的稳定天然元素，发现于1925年。铼很少以天然元素形式存在，也不以独立的硫化物矿物铼矿（ReS2）出现，而常常替代钼存在于二硫化钼（MoS2）中。大部分提取的铼都是铜矿开采的副产品，其中约80%是从斑岩型铜矿的辉钼矿精矿加工过程中获得的烟尘中回收的。尽管储量稀缺，但铼仍具有诸多优异性能，如极高的熔点（3180℃）、耐热晶体结构、较小的线热膨胀系数（6.63×10^-6 m/K）、较高的抗拉强度（1070 MPa）以及较低的摩擦系数[8][9]。表2列出了铼的一些物理化学性质。作为合金元素时，铼能提升基体金属的高温强度和机械性能，同时还具备其他难熔金属所没有的独特优势，比如不存在脆性-延性转变温度、更高的变形硬化能力、优异的抗蠕变性能，以及在极宽的工作温度范围内仍保持较高的屈服强度。许多较为知名的难熔金属，如钨、钽和钌，在室温下具有较好的延展性，因此在结构应用方面的应用范围十分有限。然而，当与铼合金化后，它们的这些性能可能会得到改善，从而成为更理想的材料。

在航空航天领域，铼及其高温合金被广泛用于承受高温和磨损的部件，如超音速飞机、火箭发动机和隔热系统。近年来，铼在超合金中的应用已超越了传统催化剂领域的应用。加热元件和温度传感器也是铼得到广泛应用的其他领域。在热电偶制造中，温度与电动势之间的线性关系使得铼成为高精度测量系统的理想材料。相比钨或钼基加热元件，铼基加热元件的使用寿命更长，这也是其应用价值进一步提升的原因。此外，铼在太阳能应用中的感光涂料领域也展现出广阔的发展前景。在电子工业中，铼以合金或涂层形式被广泛用于各种电子元件，如X射线靶、光谱仪组件、真空管和加热丝。近年来，基于铼的矩阵复合材料因能实现优异的热电子发射性能，已成为超高温发射器的常用基材。在涂层和焊接技术中，铼可用于制备能够抵抗酸性、碱性及海水等恶劣环境的表面，尤其在海洋和化工行业中有重要应用。以Re-Ni、Re-Mo和Re-W为基的涂层被广泛应用于高性能发动机零件和弹头等领域。此外，铼还被用作添加剂，以提高钨和钼合金的焊接性能。另外，铼同位素在医学领域也有应用，尤其用于癌症治疗，同时在某些摄影和成像应用中也可作为感光剂[11]。尽管具有如此多的优异性能，但由于高熔点和较差的成型性，铼很难通过铸造和锻造等传统方法进行生产，因此铼基部件通常采用以金属粉末为原料的粉末冶金技术制造[12][13][14][15]。随着增材制造技术的快速发展，制造具有复杂几何形状和特殊性能的难熔金属部件的可能性大大增加，增材制造已成为解决相关技术难题的重要手段[2]。尽管近年来关于金属增材制造领域中难熔金属合金的研究日益增多，但这一领域仍属于小众研究范畴[7]。

据作者所知，目前现有文献中尚缺乏一篇从粉末合成到最终力学性能层面，系统阐述铼在增材制造金属体系中所起作用的综合性综述。虽然已有不少综述涉及了金属、钛合金、镍基超合金、难熔金属以及高温材料的增材制造技术[16][17][18][19][20][21][22][23][24][25][26][27][28][29][30][31][32][33][34][35]，但尚未有研究系统梳理过铼作为合金元素在不同合金体系中的作用。现有的综述大多仅聚焦于单一合金体系，探讨加工工艺、微观结构与性能之间的关联。这一空白凸显出有必要对铼如何影响粉末特性、PBF工艺适应性、微观结构演变、相稳定性、缺陷形成以及力学性能等进行比较分析。

因此，本综述聚焦于通过PBF基增材制造技术处理的含铼合金粉末，旨在对经PBF工艺处理的含铼合金进行比较分析。通过整合粉末制备方法、合金设计考量、工艺性能、微观结构演变、缺陷形成机制、力学性能以及未来研究方向等内容，本综述旨在明确铼的作用会因合金体系的不同而有所差异，为开发新型增材制造含铼合金提供系统性参考。

章节摘录：
金属的增材制造：增材制造，又称三维打印或快速成型技术，已经彻底改变了航空航天、国防、生物医药、汽车和能源等多个行业中复杂几何结构及定制化零部件的生产方式[36][37][38]。作为逐层制造技术的增材制造最突出的优势在于，它可以直接从原材料中制造出复杂的结构，而这种制造方式用传统工艺很难实现。

铼基合金粉末的加工参数：由于其极高的熔点、高密度以及强大的固溶强化能力，铼已成为高性能金属体系增材制造中一种具有重要战略意义的合金元素。在难熔金属和高温合金中，添加铼的主要目的是提升晶界稳定性、抑制裂纹生成，从而在严苛的热负荷和机械负荷条件下改善材料的力学性能。其效果在……

铼颗粒的气孔形成与溶解现象：增材制造零件的相对密度是决定其力学性能、损伤容忍度和使用可靠性的关键参数。尽管通过后续的热处理可以部分缓解不必要的微观结构缺陷和残余应力，但在制造过程中就实现高相对密度仍是工艺优化的基本前提[117][118]。不过，仅有高密度并不足以确保……

铼添加对力学性能的影响：目前已有研究探讨了在多种材料体系中添加铼对力学性能的影响，这些材料体系包括钛合金、镍基超合金以及钨、钼等难熔金属合金。研究结果表明，铼的作用取决于多种因素的相互作用，且会因合金成分、加工参数以及高温环境的不同而存在显著差异。

PBF基增材制造中含铼合金粉末的未来发展趋势：随着对具有高温强度、抗蠕变能力和微观结构稳定性的下一代工程产品的需求不断增长，人们对含铼合金体系的兴趣也日益浓厚。目前用于高超音速飞行系统、航天技术、先进能源系统以及高效涡轮机的许多超合金，在温度接近1000℃时，其力学性能会出现明显下降[126]。最近的一些研究也……

结论：本综述系统研究了铼作为合金元素在钛基、镍基、钨基和钼基增材制造合金体系中的作用，重点分析了粉末制备方法、工艺与微观结构之间的关系、气孔与溶解行为以及力学性能。在钛基合金中，添加铼可促进晶粒细化，稳定β相区域，同时形成马氏体微观结构。这些微观结构的改变……

作者贡献说明：PüR?EK Gen?a?a：负责研究指导、方法设计及实验开展；DUMAN ?brahim Can：负责文章撰写与编辑、初稿撰写、数据可视化、结果验证、软件应用、方法设计、实验研究、正式分析及数据整理；CORA ?mer Necati Necati：负责文章撰写与编辑、初稿撰写、数据可视化、研究指导、软件应用、资源协调、项目管理、方法设计、实验研究、资金申请、正式分析、数据整理以及概念构建；ASHUROV Rustam：……

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢：本研究得到了土耳其科学技术研究委员会（TUBITAK）的资助，项目编号为125N780，项目负责人为?mer Necati CORA教授。作者衷心感谢TUBITAK的扶持。

?brahim Can Duman | Gen?a?a Pür?ek | Rustam Ashurov | ?mer Necati Cora
土耳其卡拉德尼兹技术大学机械工程系，特拉布宗