華科魏青松團隊：鎳基高溫合金高能束流增材制造過程中裂紋類型、機理及抑制方法綜述

來源：機械工程學報

研究現(xiàn)狀
鎳基高溫合金是航空航天領域不可缺少的基礎性材料，但難變形、難切削、易偏析、工藝流程長、成材率低等缺點一直是鎳基高溫合金零部件制造所面臨的難題，渦輪葉片、發(fā)動機燃油噴嘴等結構復雜零部件的生產(chǎn)問題一直面臨上述問題。高能束增材制造技術（high-energy beam additive manufacturing, HEB-AM）直接制造復雜零部件，成形精度高、周期短、材料利用率高、減少機加工，極大程度上解決了傳統(tǒng)加工技術面臨的問題。HEB-AM技術已廣泛應用于常見金屬材料的制造生產(chǎn)過程中，例如模具鋼，鈦合金和鋁合金等。目前，在HEB-AM成形鎳基高溫合金方面，國內外已有部分研究，沉淀強化型（Inconel718、Inconel738和Rene88DT等），固溶強化型（Inconel625、Hastelloy X）等鎳基高溫合金均有研究。

微裂紋缺陷是HEB-AM成形鎳基高溫合金中常見的缺陷，嚴重制約著成形零部件的力學性能，是必須予以解決的問題。由于HEB-AM過程始終伴隨著較高的熱應力，合金化程度高的鎳基高溫合金易產(chǎn)生顯微偏析。受制于成形過程晶粒外延生長特性，在熱影響區(qū)容易萌生裂紋，并沿著晶界擴展。針對鎳基高溫合金在HEB-AM過程中的微裂紋形成原因，國內外也做了一些研究。總的來說鎳基高溫合金在SLM成形過程中微裂紋的萌發(fā)和擴展歸因于材料本身的冶金性能和過大的熱應力。

圖1 應用高能束增材制造技術打印鎳基高溫合金的主要裂紋類型為凝固裂紋、液化裂紋、應變裂紋、延性-浸漬裂紋和冷裂

圖2 高能束增材制造技術加工鎳基高溫合金的裂紋抑制方法

研究難點或瓶頸
鎳基高溫合金在600℃以上仍保持較高的強度、良好的抗熱腐蝕性、抗熱氧化性及良好的組織穩(wěn)定性，是航天航空發(fā)動機熱端零部件中不可取代的材料。然而，傳統(tǒng)方法難以制造復雜結構的鎳基高溫合金，HEB-AM是解決鎳基高溫合金難制造問題的核心技術。然而，HEB-AM成形鎳基高溫合金尚處于起步階段，且大多數(shù)研究致力于工藝參數(shù)優(yōu)化及熱處理對組織影響，HEB-AM成形鎳基高溫合金的高溫性能差和微裂紋缺陷還沒有完全解決，鎳基高溫合金成分優(yōu)化對成形質量的方面的研究更是缺乏。

圖3 裂紋產(chǎn)生的原因及抑制裂紋的機理和方法總結

展望（發(fā)展趨勢）
(1) 過大熱應力是SLM成形鎳基高溫合金中微裂紋缺陷形成的驅動力。目前缺少對SLM成形鎳基高溫合金成形過程中的熱應力相關研究，有必要借助模擬仿真手段研究SLM成形過程中的溫度場和應力場，為降低成形過程中的熱應力提供指導。同時采用在線工藝優(yōu)化以及同步高溫預熱技術，來降低成形過程中產(chǎn)生的熱應力，減少裂紋產(chǎn)生的趨勢。

(2) 用于HEB-AM工藝的無裂紋鎳基高溫合金的合金設計。當前HEB-AM成形用鎳基高溫合金粉末為成熟的傳統(tǒng)牌號，這些成熟牌號的合金成分是基于鑄造、鍛造工藝特點予以設計的，并未充分考慮HEB-AM快熔速冷的技術特點，開發(fā)出適合HEB-AM技術特點的專用合金，是HEB-AM成形高質量鎳基高溫合金必須予以高度重視的研究方向

(3) 隨著HEB-AM技術的深入發(fā)展，大尺寸復雜結構零部件的整體制造被提上日程，這將需要多激光協(xié)同作業(yè)。目前缺乏多激光成形鎳基高溫合金的相應研究，下一步有必要加大對多激光大臺面成形鎳基高溫合金工藝及設備方面的研究，為整體制造大尺寸復雜零部件提供技術支持。

團隊帶頭人介紹

魏青松，男，1975年生。華中科技大學“華中學者”特聘教授，材料科學與工程學院博士生導師，材料加工與計算機應用系副主任，材料成形與模具技術國家重點實驗室PI教授，學校學術前沿青年團隊負責人。擔任中國機械工程學會增材制造分會副總干事、中國機械工程學會特種加工分會理事、中國模具協(xié)會裝備委員會副主任。主要從事增材制造（3D打�。┭芯颗c教學工作，近年來主持了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、國家科技支撐計劃、國際合作等科研任務20余項。研究高性能構件材料制備與成形一體化3D打印技術，打印的發(fā)動機機匣鑄型、隨形水道金屬模具及個性化醫(yī)學植入體獲得應用，研制的金屬激光3D打印機和陣列式噴印打印機獲產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。在《ACTA Materialia》、《中國科學》等國內外權威期刊上發(fā)表論文150余篇，SCI收錄60余篇，他引5000余次（ESI高被引7篇次）。授權發(fā)明專利近30項，主編專著（教材）3部、參編1部。獲全國百篇優(yōu)秀博士論文提名，入選武漢市黃鶴英才計劃、武漢市青年科技晨光計劃、江蘇省科技創(chuàng)新（雙創(chuàng)）人才計劃，是教育部創(chuàng)新團隊學術骨干。曾擔任全國增材制造青年科學家論壇主席，受邀國內外會議報告10余次。獲得2011年中國十大科技進展、2項省部級一等獎、3項省部級二等獎，獲“華中科技大學師德三育人獎”稱號。

作者介紹

謝寅（本文第二作者），男，1998年生，華中科技大學材料科學與工程學院碩士研究生，主要研究方向為L-PBF成形鎳基高溫合金工藝及應用的研究。