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北航郭偉團隊增材頂刊：激光粉末床熔融制備鎳基高溫合金裂紋抑制機理方面取得重要進展！

2025-02-10 11:27:52 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

近日，北航機械學院郭偉教授團隊在激光粉末床熔融制備鎳基高溫合金裂紋抑制機理方面取得重要進展，研究成果以《Nano-scale microstructural evolution and mechanical property enhancement mechanism during crack inhibition in nickel-based superalloys fabricated by laser powder bed fusion》為題發(fā)表在增材領域頂刊《Additive Manufacturing》，該研究獲國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃等項目支持，張宏強副教授為論文通訊作者，王優(yōu)博士為論文第一作者。研究團隊以Haynes 230 為制備材料，通過不同高壓下的微裂紋閉合狀態(tài)，揭示了納米析出相在裂紋閉合過程的演變及其對力學性能改善的作用機制，為激光粉末床熔融制備鎳基高溫合金的應用提供了理論支撐。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.addma.2025.104685

Haynes 230在LPBF領域的工程應用有限，主要由于普遍存在的微裂紋問題。這些微裂紋源于極其快速的熱循環(huán)，產生了高殘余應力和顯著的微觀偏析，導致析出物的形成，阻礙了熔體流動，最終形成了縮孔和微裂紋。現有的裂紋抑制研究，如加入Nb會減少延展性，加入TiB₂會降低高溫性能，這些方法未能保持合金原有的機械性能，導致LPBF制備的Haynes 230仍面臨應用問題。此外，納米析出物在裂紋閉合過程中的作用尚不明確。現存研究僅限于微觀組織分析，缺乏微觀組織演變與機械性能提升的關聯，尤其是納米析出物在裂紋閉合過程中的作用。

為了深入探討這一問題，研究團隊采用熱等靜壓（HIP）技術抑制了LPBF制備的Haynes 230粉末高溫合金中的微裂紋。對沉積態(tài)和HIP處理后的微觀組織演變進行了全面表征，重點分析了納米析出物在裂紋閉合過程中的作用，并詳細解析了析出物的形成與轉變機制，同時闡明了裂紋閉合過程中變形機制的變化。經HIP處理后，微裂紋在閉合位置形成了納米析出物，同時晶粒和納米析出物的尺寸增大，且增大程度受壓力的限制。M₂₃C₆析出物轉變?yōu)?/span>M₆C，減少了晶格錯配。

在沉積態(tài)下，變形機制為位錯滑移，而在裂紋抑制后，變形機制轉變?yōu)樽冃螌\晶和堆垛層錯（SFs）。重要的是，強度和延展性得到了協同改善。強度的提高源自裂紋閉合和納米析出物阻礙位錯滑移的綜合作用，而延展性的提升則得益于裂紋閉合、納米析出物誘導的納米孿晶形成以及變形機制的轉變。本研究旨在建立微觀結構演變與機械性能之間的穩(wěn)健關聯，推動LPBF技術的應用，并擴展高溫合金的應用范圍。

圖1. (a) 晶界錯配度分布，(b) IPF圖像，(c) 晶粒尺寸分布，(d) XY平面中的裂紋生成。(e) 晶界錯配度分布，(f) IPF圖像，(g) 晶粒尺寸分布，(h) XY平面中的裂紋抑制。

圖2. (a) 裂紋生成樣品中基體與納米析出物界面的HRTEM圖，(b) 基體的晶面間距，(c) 納米析出物的晶面間距。(d) 裂紋抑制樣品中基體與納米析出物界面的HRTEM圖，(e) 基體的晶面間距，(f) 納米析出物的晶面間距。

圖3. (a) 裂紋生成和抑制樣品的工程應力-應變曲線。(b) 加工硬化曲線。

圖4. 拉伸斷裂附近的微觀組織。在裂紋生成狀態(tài)下，(a) 斷裂區(qū)域附近的高密度位錯分布，(b) 亞晶界處的納米析出物，(c) 亞晶界的納米析出物中發(fā)生了位錯釘扎。在裂紋抑制狀態(tài)下，(d) 斷裂區(qū)域附近的變形孿晶分布，(e) 孿晶邊界處的暗場圖像，(f) 孿晶邊界處的HRTEM圖，(g) 納米析出物與基體界面處的堆垛層錯（SFs），(h-i) 界面處的位錯分布及相應的Burgers矢量。

圖5. 3D IPF圖（a）沉積態(tài)，（b）60 MPa，（c）130 MPa，（d）180 MPa。低倍放大下的微觀結構演變（a1）沉積態(tài)，（b1）60 MPa，（c1）130 MPa，（d1）180 MPa。裂紋閉合過程的形貌（a2）沉積態(tài)，（b2）60 MPa，（c2）130 MPa，（d2）180 MPa。（e）裂紋閉合過程示意圖。