封面文章 | 北科大张百成&曲选辉：选区激光熔化制备镍基高温合金研究进展
选区激光熔化是当前最为流行的金属3D打印工艺之一，人们迫切的希望其能为航空航天等关键领域带来强劲的制造技术变革，因而镍基高温合金这类在航空发动机上广泛应用且可焊接性优异的材料愈发受到增材制造领域学者们的青睐。建模是3D打印的第一步，正如图中主体的网格化部分，形象展示了打印的数字化过程；在打印过程中，高能激光束辐照在背景的镍基高温合金粉末上，并直接熔化粉末，按照既定路径层层扫描，层层叠加，直至打印出完整的零件，构成了图中的主体发动机。
选区激光熔化制备镍基高温合金研究进展（点击阅读原文）
张茂航, 张百成
Int. J. Miner. Metall. Mater., 29(2022), No. 3, pp. 369-388.
https://doi.org/10.1007/s12613-021-2331-1
文章亮点1
以CM247LC、Inconel 718、Inconel 626和Hastelloy X四种牌号为例，对比归纳了SLM制备固溶强化与沉淀强化两类镍基高温合金的共性问题和个性难点。
文章亮点2综合论述了SLM制备过程与后处理过程中，材料组织和力学性能的演变规律，对所述四种合金的制备参数优化和后处理制度选择提供了有意义的指导。
以航空工业等关键领域的现实需求为参照，对SLM制备镍基高温合金的发展路线提出了有价值的展望。
文章导读
本文对选区激光熔化制备CM247LC、Inconel 718、Inconel 626和Hastelloy X四种强化方式不同、服役温度不同的镍基高温合金的加工工艺、组织演变和力学性能进行了系统阐述。重点探究了不同材料成分下，SLM工艺参数的优化及其组织与性能的演变规律。
CM247LC，主要以γ'相的析出强化获得优异的高温性能，并且在成分设计上通过提高铝元素的含量促进γ'相的形成。然而，高铝含量会大大降低材料的可焊接性，由此在SLM制备过程中引入大量裂纹。针对上述情况，研究人员的基本思路为制定优化的工艺参数减少裂纹的产生，以及通过热等静压（HIP）等后处理方式闭合微裂纹。工艺参数的优化以探究能量密度对材料致密度和脆性析出物（如晶界碳化物）的关系为主要目标，并开发出了多种分型扫描策略进行辅助，例如Hilbert和Peano-Gosper曲线。HIP可以有效减少内部微裂纹，但是表面连接的裂缝依旧无法完全消除。所以，若想进一步提高CM247LC相对SLM的可加工性，必要的成分调整不可或缺。
图 1 (a)镍基高温合金焊接性随钛、铝含量的演化规律：钛铝元素会降低材料的焊接性，红色虚线上部为焊接性较差区域；(b)SLM制备CM247LC的表面孔隙和裂纹的SEM图；(c)内部孔隙和裂纹的CT图。
Inconel 718也是一种典型的析出强化镍基高温合金，但是由于富含铌元素，形成了以γ"相为主，γ'相为辅的强化体系。由于优异的焊接性，针对Inconel 718的SLM制备工艺最为成熟，而且已经初步进入商业化阶段。针对该合金的参数优化目标为完全消除孔隙，已达到完全致密。SLM制备Inconel 718的组织演化规律也较为清晰，在适当的热处理后，可以基本消除有害的Laves相，并对γ"/γ'的数量和分布进行调控。由于高温服役的特点，亚稳态的γ"相会转变为稳定的δ相，从而对材料的强度和塑性造成不同影响。此外，MC碳化物，例如M6C和M23C型碳化物也会在强度与塑性的平衡中发挥作用。
图 2 SLM制备Inconel 718组织样貌。(a）层界和熔池边界；(b）柱状晶结构及其中的Laves相；(c）热处理后残留的Laves相和δ相；(d）高分辨率下的γ"/γ'相。
Inconel 625依靠大量的钼原子、铌原子在基体中的固溶获得及其强大的高温性能。然而，在SLM制备过程中，钼和铌元素会偏析形成Laves相，减少晶格强化作用，而局部热塑性变形也会产生热残余应力，可能导致零件裂纹的产生和变形。目前来看，适当的热处理是极其必要的，大多数的研究也正是围绕热处理制度的建立和组织演变规律展开的。但是，一个无法避免的问题是，热处理虽然可以缓解残余应力等问题，也同样会减少位错密度，使材料的强度有一定程度的下降。
图 3 （a-c）SLM制备Inconel 625的顶端、侧面和高倍SEM组织图；(d）Y-Z截面的EBSD极图和反极图；(e）热处理后MC碳化物和晶界结构的SEM图像及晶界段模型。
Hastelloy X是一类超高温固溶强化型高温合金，可以长时间服役在900℃的环境下。由于微量元素的存在，Hastelloy X的凝固温度范围较大，共晶相数量较少，产生热撕裂导致的裂纹。而由于SLM是一个反复热循环的过程，巨大的残余应力还会产生冷撕裂导致的裂纹。这些裂纹一般起源于晶界，延伸到熔池边界，并穿过熔池，沿新晶界扩散。许多学者都认为在优化激光参数的同时，也需要对材料的成分进行调整，例如增加材料的热冲击阻力。
图 4 （a-d）SLM制备Hastelloy X及热处理后的TEM图，在晶界和晶内存在两种类型的碳化物，晶内还存在针状的析出相；(e-f）热等静压后的SEM图。
团队简介
北京科技大学先进粉末冶金成形技术研究室主要从事粉末注射成形、增材制造、高速压制、热等静压以及熔渗技术等先进粉末冶金成形技术的基础与应用研究。同时，研究高性能铁基粉末冶金材料与零件、粉末高温合金、粉末高速钢、粉末冶金TiAl及Ti合金、高导热电子封装材料、新型电池材料、梯度功能材料等先进材料和粉末冶金过程模拟技术等。
粉末冶金成形技术研究室自成立以来，承担了一系列科研任务，包括国家重点研发计划项目及子课题4项，国家自然科学基金16项，“973计划”3项，“863计划”10项，国家科技支撑计划4项，共发表论文400余篇。研究室现有3位教授、2位副教授组成，指导博士、硕士研究生30余名，首席教授曲选辉曾获国家级教学成果一等奖1项、国家科技进步二等奖1项、国家技术发明二等奖1项，章林教授曾获中国有色金属工业技术发明一等奖2项、教育部技术发明一等奖1项，入选第十届冶金青年科技奖。
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