激光粉末床熔融制备难焊镍基高温合金：工艺参数依赖的缺陷形成机制与抑制策略

《Journal of Materials Science & Technology》：Process-parameter-dependent defects formation mechanisms in laser powder bed fusion of non-weldable nickel-based superalloy

本研究针对高Al、Ti含量难焊镍基高温合金在激光粉末床熔融(LPBF)中易产生裂纹缺陷的难题，系统探讨了激光功率、扫描速度和道间距等关键工艺参数对显微组织、元素偏析和第二相析出的影响规律。研究发现，通过优化工艺参数（如采用220 W中等激光功率并降低扫描速度）可有效减少高角度晶界比例、促进<001>织构形成、缓解元素偏析，从而显著抑制凝固裂纹；同时揭示了高激光功率(280 W)易促进Al2O3氧化物形成并与MC碳化物产生非共格界面，成为裂纹萌生优先位置。该研究为LPBF制备高性能难焊高温合金提供了重要的工艺优化依据。

　　

在航空航天和能源动力领域，镍基高温合金因其卓越的机械性能和高温稳定性而占据不可替代的地位，尤其是那些富含铝(Al)、钛(Ti)的合金，它们通过析出大量的γˊ相实现强化，展现出比固溶强化型合金更优异的性能。然而，这些高性能合金在传统的焊接和新兴的增材制造过程中却表现得异常“脆弱”，极高的裂纹敏感性使其被归类为“难焊”合金，严重限制了其在激光粉末床熔融技术中的应用。能否驾驭激光，让这些“娇气”的合金在逐层堆积中“无痕”成型，成为摆在材料科学家面前的一道严峻挑战。

为了解决这一瓶颈问题，四川大学的鲍子明、连立贤、吴佳奇和刘颖研究团队在《Journal of Materials Science》上发表了一项深入研究。他们系统地探讨了激光功率、扫描速度和道间距等关键LPBF工艺参数如何影响一种新型难焊镍基高温合金的缺陷形成机制，并成功找到了抑制裂纹的有效途径。

研究人员综合运用了激光粉末床熔融制备、扫描电子显微镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)、电子探针显微分析(EPMA)、透射电子显微镜(TEM)以及热力学模拟计算等多种先进表征技术。研究采用的合金粉末由北京瑞邦新材料技术公司通过气雾化法制备，其D₅₀为41.0 μm，氧含量为132.34 ppm。使用EOS M 290设备进行样品制备，基底预热至150°C，层厚固定为40 μm，并采用67°层间旋转扫描策略以减少热积累。

3.1 难焊镍基高温合金中的微观缺陷概述

研究首先揭示了不同类型缺陷的形成规律。未熔合缺陷主要与体能量密度过低相关，可通过提高激光功率、降低扫描速度或道间距来消除。然而，单纯提高体能量密度虽能减少未熔合缺陷，却会加剧裂纹问题。裂纹成为影响难焊合金LPBF成形性的主导缺陷，其中凝固裂纹最为显著。

3.2 难焊镍基高温合金裂纹成因

深入分析表明，凝固裂纹主要发生在凝固末期。Ta、Nb、Ti等元素在枝晶间区域显著富集，促进了MC型碳化物的析出，这些碳化物阻碍了凝固收缩过程中的液体补缩，从而诱发裂纹。熔池顶部比底部表现出更高的裂纹敏感性，裂纹更易从顶部萌生。研究还发现，取向差大于40°的高角度晶界是裂纹优先形成和扩展的位置。在中等激光功率(220 W)下，降低扫描速度可以减少高角度晶界比例，同时保持<001>织构，从而有效抑制凝固裂纹。

3.3 LPBF难焊高温合金中析出相分析

通过TEM等高分辨率分析手段，研究人员观察到纳米尺度的γˊ析出相、MC型碳化物以及Al₂O₃氧化物。γˊ相与γ基体完全共格，晶格错配度仅为0.34%，对裂纹影响较小。而MC碳化物与γ基体呈半共格关系，错配度达19.2%，界面处存在较大应变。更高激光功率(280 W)条件下，更易形成Al₂O₃氧化物，其与MC碳化物之间的界面严重非共格，错配度高达58.5%，弱的界面结合力使其成为裂纹萌生的优先位置。

研究结论强调，通过精细调控LPBF工艺参数可以显著改善难焊镍基高温合金的成形性。采用中等激光功率(220 W)并适当降低扫描速度，能够优化显微组织，减少高角度晶界比例，促进<001>织构发展，缓解元素偏析，从而有效抑制裂纹形成。相反，过高的激光功率会延长凝固末期时间，促进氧化物和碳化物析出，增加裂纹敏感性。该研究不仅深化了对LPBF过程中缺陷形成机制的理解，而且为高性能难焊高温合金的增材制造提供了切实可行的工艺优化方案，对推动高温合金在航空航天等领域的创新应用具有重要意义。