與傳統的加工路線相比，增材制造過程中的高熱梯度和冷卻速率可顯著改善固化後的結構，進而減少了固溶熱處理所需的時間。多數正常鎳基高溫合金無法從精密鑄造工藝過渡到3D列印技術中使用，因為這些材料是針對鑄造等傳統工藝進行優化的。由于3D列印過程的快速重複熱循環，可以通過成分計算資料驅動的方式設計出針對3D列印工藝參數的新成分，進而針對增材制造的高冷卻速率調整微觀結構和性能。是以，面向增材制造技術對鎳基高溫合金材料進行優化，減輕其冶金缺陷，推出适合3D列印的合金材料，在推動高溫合金增材制造應用過程中起到重要作用。
本期，通過節選近期國内在高溫合金方面的實踐與研究的多個閃光點，3D科學谷與谷友一起來領略的這一領域的研究近況。
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基于數字圖像相關技術的SLM-IN718
細觀表面裂紋擴充機制研究
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劉輝、孫銳、周永康、白潤、夏明星、蔡小梅、王峰、張文 西北有色金屬研究院難熔金屬材料研究所
摘要：
開展了室溫下不同應力比（R=0.1及R=-1）的原位疲勞試驗，并結合數字圖像相關（digital image correlation,DIC）技術分析了選區雷射熔化IN718鎳基高溫合金（SLM-IN718）的細觀超高周疲勞表面裂紋擴充機制。結果表明：首先，DIC分析表明SLM-IN718受載時裂紋尖端出現了類似蝴蝶形的塑性應變區，這與采用VonMises屈服準則計算結果相一緻；其次，分析了裂尖前方應變場特征、位移場特征，對SLM-IN718而言，R=0.1與R=0條件下載下傳荷分别達到最大載荷的53%與29%時裂紋張開；此外，建立了慮及裂紋閉合效應的裂尖塑性區尺寸評估模型，計算值與實測值一緻性較好；最後，結合DIC分析結果探讨了SLM-IN718低應力條件下的表面裂紋擴充機制。
雷射選區熔化GH5188
合金組織和性能研究
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張元偉1蘇慶2郎連林2陳建1李巍1劉雅輝3王俊3 1. 中國航發貴州黎陽航空動力有限公司2. 中國人民解放軍93147部隊某軍事代表室3. 上海交通大學材料科學與工程學院
摘要：
針對GH5188高溫合金支闆的雷射選區熔化制造技術，設計了不同的增材制造技術方案，對比分析了不同的增材制造技術參數和熱處理工藝參數對産品的微觀組織和力學性能的影響，總結了GH5188高溫合金支闆的雷射選區熔化工藝設計要點。最終獲得了滿足要求的雷射選區熔化GH5188高溫合金支闆零件。
适用于雷射增材制造的γ’相強化
鎳基高溫合金裂紋控制與成分設計研究進展
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史淑靜1李卓1,2楊晨2曾子恒2程式1,2湯海波1,2王華明1,2
1. 北京航空航天大學甯波創新研究院2. 北京航空航天大學大型金屬構件增材制造國家工程實驗室
摘要：
相強化鎳基高溫合金因其良好的高溫組織與性能穩定性廣泛應用于航空航天、石油化工、汽車能源等領域，雷射增材制造可滿足現代工程對零部件内部結構優化與自身輕量化的需求，成為鎳基高溫合金複雜結構零部件制造與修複的新興技術。然而傳統牌号高強鎳基高溫合金的成分及強化機制與雷射增材制造快速非平衡凝固及固态相變過程不适配，較寬的凝固溫度區間和失衡的高溫強韌性易引起微裂紋缺陷，難以保證合金的組織完整性和力學性能，嚴重制約了雷射增材制造技術在高性能高溫合金中的應用推廣。基于此，本文綜述了雷射增材制造γ’相強化鎳基高溫合金裂紋的形成原因和影響因素，根據開裂機理從成分修正、成形工藝參數優化、後處理制度調控等方面總結了裂紋控制相關研究進展，探讨了目前能從根源上抑制裂紋的專用合金成分開發政策，并對雷射增材制造γ’相強化鎳基高溫合金的未來發展方向進行了展望。
鎳基高溫合金
增材制造研究進展
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祝國梁1,2羅桦1賀戬1田雨生1衛東雨1譚慶彪1孔德成1
1. 上海交通大學材料科學與工程學院上海市先進高溫材料及其精密成形重點實驗室2. 上海交通大學金屬基複合材料國家重點實驗室
摘要：
鎳基高溫合金因其優異的高溫強度及耐腐蝕、抗氧化性能而備受關注，被廣泛應用于航空航天等領域。研究對增材制造鎳基高溫合金的制備方法、常見牌号以及合金的組織與性能進行了綜述，總結了目前存在的問題，提出了未來值得探索的研究領域。金屬增材制造技術制備的鎳基高溫合金具有良好性能，能實作複雜構件精密成形，且制備過程中材料浪費少，有望成為未來航空航天等領域中鎳基高溫合金構件的重要制備工藝。
常見的鎳基高溫合金增材制造方法有粉末床熔化、定向能量沉積和電弧增材制造等，粉末床熔化被廣泛用于制造高精度和複雜零件，但制造速度相對較慢，且裝置和材料成本較高。定向能量沉積自由度和靈活性更高，可用于制備功能性梯度材料，但精度較低。電弧增材制造具有較低的裝置成本和材料成本，适用于大型零件的快速制造，但其制備的合金表面粗糙度較差，需要進行額外的加工或後處理。
在增材制造過程中被廣泛研究的鎳基高溫合金包含IN625,Hastelloy X等固溶強化型和IN718,CM247LC,IN738LC等沉澱強化型高溫合金。與傳統的鑄造和鍛造方法相比，增材制造獨特的逐層成型、快冷快熱的制備過程帶來了粗大的柱狀晶粒組織和大量細小晶粒的獨特微觀組織，還形成了獨特的熔池組織及位錯胞結構。但是，通過增材制造得到的合金一般還需要進行熱處理，對晶粒組織、析出相等進行調控，進而影響合金的力學性能。此外，增材制造鎳基高溫合金的力學性能還與具體制備方法和合金種類有關。盡管目前增材制造已被廣泛用于鎳基高溫合金的制備，但仍面臨組織與性能存在各向異性、高性能合金開裂敏感性高以及缺乏相應的規範和标準等問題，将來需要在熱處理、專用合金的定制與開發、探索工藝-結構-功能關系以及計算模組化等方面深入探索。
Inconel 617鎳基合金電弧
增材制造微觀組織與力學性能
張旭、萬金初、朱亮、吉明亮、楊宗輝
南京工程學院江蘇省先進結構材料與應用技術重點實驗室
摘要：
電弧增材制造技術基于分散累加原理，可實作鎳基高溫合金複雜結構快速無模加工，是一種廣受關注的先進加工技術。該研究以高溫耐蝕合金Inconel 617增材制造塊體為研究對象，采用OM,SEM及萬能拉伸試驗機等手段分析了增材制造鎳基合金塊體微觀組織及力學性能。
研究結果表明，Mo元素在柱狀枝晶間偏析，促使大尺寸的Laves相沿枝晶析出。在拉伸應力下，Laves相由于脆性較高，易發生斷裂，誘發裂紋萌生。由于裂紋擴充路徑在不同方向拉伸時存在顯著差異，導緻增材制造構件沿沉積方向強度（900 MPa）顯著高于垂直沉積方向強度（700 MPa）。該研究為電弧增材制造鎳基合金的組織性能調控奠定了一定基礎，為進一步推動電弧增材制造鎳基合金構件的應用進行了有益探索。
增材制造Inconel 718的
電解質等離子體抛光工藝研究
柏聰、顧琳、趙萬生 上海交通大學機械與動力工程學院,機械系統與振動國家重點實驗室
摘要：
為解決增材制造的鎳基高溫合金部件難以滿足高性能航空構件表面品質的問題，采用電解質等離子體抛光技術對增材Inconel 718樣件進行抛光工藝試驗。基于部分析因和響應曲面分析法，研究了抛光電壓、電解液溫度、加工時間、抛光劑濃度和絡合劑濃度對表面粗糙度和材料去除率的影響規律，并對加工參數組合進行望小優化。
結果表明，當采用抛光電壓314.4 V、電解液溫度70℃、加工時間15 min、抛光劑和絡合劑品質分數2%和2.5%，增材列印的Inconel 718工件表面粗糙度可從Ra2.93μm降至Ra0.307μm，此時的材料去除率為2.072μm/min。
In718合金雷射粉末床熔融
懸垂結構成形數值模拟與實驗研究
王材桦1來旭輝1楊歡慶2魏正英1 1. 西安交通大學先進制造技術研究所2. 中航工業西安航空發動機集團有限公司
摘要：
針對雷射粉末床熔融(LPBF)成形中點陣傾斜支杆的懸垂列印品質問題,以In718懸垂熔道為研究單元，建立三維介觀數值模型.基于離散單元法在模組化軟體EDEM中建立粉末床模型,基于有限體積法在Flow-3D中實作LPBF熔道成形過程,通過數值模拟分析雷射-粉末顆粒互相作用的流動、傳熱、熔化、凝固過程.
結果表明,實體-粉末交界區域容易出現不連續的熔道,改善工藝參數可以提高該區域熔道成形的連續性.在低能量密度(44.19 J/mm3)下,施加高雷射功率(300 W)不會産生匙孔缺陷,能夠以比低雷射功率(87.5 W)更強的馬蘭戈尼流動、更快的熔池流動速度填充不連續點,提高實體-粉末交界區域的熔道連續性.
電磁場輔助雷射熔覆制備
IN718塗層的組織及性能研究
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範仲華
江蘇雷利電機股份有限公司
摘要：
采用電磁攪拌輔助雷射熔覆在H13鋼基體上制備IN718塗層，研究施加電磁場對雷射熔覆IN718塗層的顯微組織、顯微硬度和耐磨性能的影響。結果表明：由于電磁攪拌力的作用，打碎了組織中的柱狀晶和枝晶網絡，有效促使了柱狀晶向等軸晶的轉變，電磁場輔助制備的塗層顯微硬度相較于無磁場輔助的塗層提高了15.96%，平均摩擦因數和磨損量分别降低了21.3%和40.3%，耐磨性能得到明顯提高。是以，在雷射熔覆過程中施加電磁場可以有效改善熔覆層的顯微組織和提高塗層的耐磨性能。
基于元胞自動機方法與歐拉多相流技術
的雷射沉積IN718組織形貌模拟
石新升1,2,3董太甯4葛鴻浩1,2,3鄒朋津4沈盟凱1,2,3張群莉1,2,3劉雲峰1,2,3姚建華1,2,3 1. 浙江工業大學雷射先進制造研究院2. 特種裝備制造與先進加工技術教育部/浙江省重點實驗室3. 浙江工業大學機械工程學院4. 杭州汽輪動力集團股份有限公司
摘要：
為研究雷射沉積過程中沉積層微觀枝晶外延生長及轉向機制，基于歐拉多相流技術與元胞自動機方法相結合，建立了雷射沉積IN718二維熔化凝固模型。獲得了沉積層溫度場、流場以及微觀凝固組織的演變過程，對比了模拟與實驗所得沉積層枝晶外延生長區厚度，分析了頂部枝晶轉向的機制。
結果表明：溫度場與流場互相影響，模型對沉積層微觀組織高度預測誤差約為7.0%。沉積層頂部和中部晶體織構取向不同，枝晶的生長方向更偏向于局部熱梯度方向，在沉積層頂部，局部熱梯度的方向接近水準，枝晶的生長方向與局部熱梯度偏角較小，是以形成平行于雷射掃描方向的頂部轉向枝晶區。
雷射粉末床熔融Inconel718
合金工藝優化與組織演變
劉陽1,2徐靖1甯挺1楊洪宇1譚振國2郭世柏1,2王敏蔔1 1. 湖南科技大學機電工程學院,高功效輕合金構件成形技術及耐損傷性能評價湖南省工程研究中心2. 湖南西交智造科技有限公司
摘要：
【目的】分析能量密度對雷射粉末床熔融鎳鐵基高溫合金(Inconel718,IN718)顯微組織的主要影響，以期提高雷射粉末床熔融IN718的緻密度。
【方法】采用田口方法和方差分析方法優化雷射功率、掃描速度、掃描間距，得到高緻密合金樣品雷射功率-掃描速度-掃描間距的關系模型，并對模型得到的結果進行驗證。
【結果】掃描間距對樣品的相對密度影響最大，貢獻率為38.31%;在研究範圍内，熔池尺寸與體能量密度成正比，Al和Ti元素在晶界處有明顯的微觀偏析，能促進液膜開裂，進而導緻裂紋等缺陷的形成。
【結論】設計的模型将有助于建立一種高效的LPBF制備Inconel718合金工藝。
雷射熔覆鎳基高溫
耐磨合金的組織及性能
李勝、雷遠濤、伍文星、申龍章、陳勇、朱紅梅、邱長軍 南華大學超常環境下裝備安全服役技術湖南省重點實驗室
摘要：
通過增加IN718合金中(Ti+Al)含量制備一種鎳基高溫耐磨合金，以滿足超臨界機組鎳基合金閥門密封面再制造的需求。采用萬能試驗機、摩擦磨損試驗機、XRD、SEM等儀器和JMatpro軟體研究該合金雷射熔覆試樣的組織與性能。
研究結果如下：當IN718合金的(Ti+Al)含量增加至7.6%時熔覆層會出現開裂；當IN718合金的(Ti+Al)含量增加至6.6%時，其雷射熔覆試樣初始平均硬度值為40 HRC，抗拉強度為998 MPa，延伸率為5.2%，室溫摩擦因素為0.75左右，磨損量為0.327 5 mm3，主相為γ相和γ′相，700℃×10 h時效處理後平均硬度值為54 HRC,700℃摩擦因素為0.35左右，磨損量為0.024 mm3，主相γ′占53%。
研究結果表明，IN718合金中(Ti+Al)含量增加至6.6%時具有良好的雷射熔覆工藝性能和高溫摩擦磨損性能，可應用于超臨界/超超臨界機組鎳基合金閥門密封面的維修與再制造。
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