定向凝固鎳基高溫合金無(wú)橫向晶界、抗蠕變性能優(yōu)異，成為制造渦輪葉片的關(guān)鍵戰(zhàn)略材料。傳統(tǒng)熔模鑄造與減材加工的流程長(zhǎng)、材料利用率低、成本高。在嚴(yán)苛的服役工況下，高溫合金葉片易發(fā)生磨損與疲勞開(kāi)裂。由于替換成本高昂，開(kāi)發(fā)既能保留柱狀晶結(jié)構(gòu)又能維持力學(xué)性能的新型修復(fù)技術(shù)至關(guān)重要。激光定向能量沉積（L-DED）技術(shù)利用高能激光束產(chǎn)生的大溫度梯度，驅(qū)動(dòng)枝晶沿沉積方向定向生長(zhǎng)；但其快速冷卻特性又產(chǎn)生高密度位錯(cuò)與高殘余應(yīng)力，雖能提升室溫強(qiáng)度，卻有可能在高溫服役時(shí)誘發(fā)再結(jié)晶、破壞定向組織。而且，熱應(yīng)力與相變應(yīng)力疊加，造成裂紋缺陷，導(dǎo)致增材制造失敗。因此，開(kāi)發(fā)能夠兼顧柱狀晶外延、強(qiáng)度優(yōu)化、再結(jié)晶抑制和裂紋消除的優(yōu)化加工策略，是實(shí)現(xiàn)高性能定向凝固高溫合金增材修復(fù)的關(guān)鍵。

“3D Science Valley 白皮書 圖文解析

在本項(xiàng)工作中，作者系統(tǒng)研究了感應(yīng)加熱輔助L-DED方法與無(wú)感應(yīng)加熱L-DED方法所制備的DZ125L鎳基高溫合金，發(fā)現(xiàn)兩種方法均可獲得具有定向晶結(jié)構(gòu)的鎳基高溫合金，感應(yīng)加熱輔助L-DED方法制備的試樣相較于無(wú)感應(yīng)加熱試樣具有更低的裂紋缺陷密度、較大的γ?析出相、更高的硬度、更低的位錯(cuò)密度，高溫下再結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)顯著降低。結(jié)合對(duì)各強(qiáng)化機(jī)制的定量計(jì)算，揭示了硬度差異的本質(zhì)原因在于γ?析出相尺寸的優(yōu)化。這種集裂紋缺陷抑制、定向柱晶結(jié)構(gòu)保持、顯微硬度提升與再結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)降低于一體的協(xié)同效應(yīng)，為推進(jìn)高溫合金增材制造技術(shù)提供了創(chuàng)新解決方案。此工作以“Simultaneous strength optimization and recrystallization prevention in induction-heating-assisted laser additively manufactured Ni-based superalloys”為題，發(fā)表在Materials Research Letters期刊。論文的第一作者為碩士研究生趙一舟，通訊作者為西安交通大學(xué)陳凱教授、長(zhǎng)安大學(xué)李堯副教授，西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為第一通訊單位。共同作者包括西安交通大學(xué)王兆偉、錢旦博士，天津大學(xué)石璘，新加坡南洋理工大學(xué)高叔博博士，丹麥技術(shù)大學(xué)Wolfgang Pantleon教授。

首先，作者自主研制的感應(yīng)加熱輔助L-DED設(shè)備如圖1a所示。傳統(tǒng)的激光增材制造（CLAM）制備的試樣中裂紋的數(shù)量密度和長(zhǎng)度密度分別為4.3 ± 0.8 根/mm2和1.5 ± 0.7 mm/mm2，而感應(yīng)加熱激光增材制造（IHLAM）具有較低的溫度梯度，制備試樣中裂紋密度僅為1.3 ± 0.5 根/mm2和0.5 ± 0.1 mm/mm2。IHLAMed層仍然保持和基材區(qū)相同的柱狀晶結(jié)構(gòu)，并且相比于CLAMed層和鑄態(tài)樣品具有更高的硬度，如圖1b和1c所示。

圖1 (a)感應(yīng)加熱輔助激光增材制造（IHLAM）裝置示意圖，(b)電子背散射衍射（EBSD）取向圖顯示IHLAM制備層中的外延柱狀晶粒結(jié)構(gòu)，(c)IHLAM制備與傳統(tǒng)激光增材制造（CLAMed）高溫合金的顯微硬度分布曲線。

接著，作者探究了強(qiáng)化機(jī)制的貢獻(xiàn)和性能差異的原因。首先，對(duì)IHLAMed層和CLAMed層的位錯(cuò)分布進(jìn)行表征（圖2a和2b），討論由加工硬化引起的臨界分切應(yīng)力增量(

圖2 (a)無(wú)感應(yīng)加熱與(b)感應(yīng)加熱輔助L-DED制備層的TEM明場(chǎng)像，揭示位錯(cuò)分布特征差異。(c)不同尺寸γ?相引發(fā)的臨界分切應(yīng)力變化規(guī)律。(d)母材、傳統(tǒng)L-DED與感應(yīng)加熱輔助L-DED制備層中位錯(cuò)強(qiáng)化、γ?相強(qiáng)化及其復(fù)合效應(yīng)對(duì)顯微硬度增量的貢獻(xiàn)對(duì)比。(e)CLAMed 樣品與(f)IHLAMed樣品經(jīng)1240 ℃和15 min的超固溶線熱處理后的晶粒取向分布圖。

綜上所述，此研究證實(shí)了感應(yīng)加熱輔助增材制造技術(shù)在定向凝固鎳基高溫合金生產(chǎn)與修復(fù)中的可行性和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。相比于無(wú)感應(yīng)加熱輔助增材制造技術(shù)，感應(yīng)加熱方案展現(xiàn)出三重優(yōu)勢(shì)：其一，感應(yīng)加熱輔助L-DED制備合金的裂紋密度顯著低于無(wú)感應(yīng)加熱工藝；其二，感應(yīng)加熱輔助L-DED制備合金的顯微硬度優(yōu)于無(wú)感應(yīng)加熱工藝；其三，該工藝通過(guò)優(yōu)化γ′相析出而非依賴位錯(cuò)強(qiáng)化實(shí)現(xiàn)材料強(qiáng)化，此強(qiáng)化機(jī)制賦予材料更優(yōu)的熱穩(wěn)定性與更低的再結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)。綜合力學(xué)性能與服役安全性分析表明，感應(yīng)加熱輔助L-DED技術(shù)為定向凝固鎳基高溫合金部件的高效制造與可靠修復(fù)提供了創(chuàng)新解決方案。

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文獻(xiàn)鏈接：

Yizhou Zhao, Zhaowei Wang, Lin Shi, Shubo Gao, Dan Qian,Kai Chen*,Yao Li*& Wolfgang Pantleon(2025) Simultaneous strength optimization and recrystallization prevention in induction-heating-assisted laser additively manufactured Ni-based superalloys, Materials Research Letters.(點(diǎn)擊左下角“閱讀原文”可跳轉(zhuǎn)至原文鏈接：https://doi.org/10.1080/21663831.2025.2491566)

圖文供稿 |西安交通大學(xué)陳凱教授團(tuán)隊(duì)

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