金屬增材制造，也稱為金屬3D打印技術，在復雜的整體部件制造、輕量化工程和材料利用率方面與傳統的減材制造技術相比具有巨大優勢。然而，這種新技術只在少數商用合金如316L、IN718、Ti6Al4V和AlSi10Mg中得到實際應用。要實現金屬增材制造在合金領域的廣泛應用，首先要克服的挑戰就是無缺陷組件的制造。大多數合金無法適應激光增材制造過程中快速冷卻導致的巨大溫度梯度，即使是一些具有良好焊接性的合金，如Hastelloy X和Haynes 230，也會在熱應力下表現出嚴重開裂。這種裂紋主要以熱裂紋為代表，在鑄造中也稱為凝固裂紋，一般發生在熔池凝固的末期。通常認為熱裂紋是由元素偏析引起的，元素偏析導致合金凝固范圍擴大，進而形成阻礙枝晶結合的液膜，而液膜與合金冷卻收縮過程產生的熱應力之間存在協同效應，進一步促進應力集中，最終導致熱裂紋的產生。

避免裂紋的形成以確保打印性能和良好穩定性，一直是合金增材制造領域的研究熱點。以往的研究大多集中在降低液膜的形成率和縮小合金的凝固范圍，本工作從偏析元素入手，創新地在凝固末期將液膜均勻引入枝晶間，實現液體回填，釋放殘余應力，緩解應力集中，消除熱裂紋。以Ni基高溫合金為例，在激光增材制造過程中，將Zr引入Ni基高溫合金中，形成連續金屬間化合物Ni11Zr9，當Zr含量達到1 wt%時，成功打印出無裂紋的Haynes 230合金。令人驚喜的是，這種連續的Ni11Zr9網狀層還被發現能發揮“骨架”作用，顯著提高了打印樣品的屈服強度。而經過適當的熱處理后，經Zr改性的Haynes 230合金，更表現出大幅優于改性前合金的強塑性。這些發現為激光增材制造無裂紋且具有優異力學性能的合金提供了一條新的合金設計思路。

天津大學劉永長教授團隊將此研究成果以題 “New alloy design approach to inhibiting hot cracking in laser additive manufactured nickel-based superalloys” 發表在國際著名期刊Acta Materialia上。

論文鏈接:

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118736

Graphical abstract

圖1. (a) LPBF制造的原始（0 wt% Zr）和Zr改性Haynes 230（1 wt% Zr）樣品沿打印方向（BD）的OM圖像。(b) 斷裂表面的晶胞特征證實了原始樣品中的熱裂紋。原始Haynes 230樣品的顯微結構特征：(c) EBSD反極圖(IPF)圖，沿BD，顯示裂紋沿柱狀晶界擴展，如箭頭所示；(d) 聚集在晶界的納米粒子；(g) 明場TEM 圖像；(h) Ni2W4的SAED圖C粒子顯示在(g)中。Zr改性的Haynes 230樣品的微觀結構特征：(e) 連續網絡沉淀聚集在晶界；(f) 沿BD的EBSD IPF圖；(i) 凝固細胞的明場TEM圖像；(j)-(i) 所示的金屬間化合物Ni11Zr9相的SAED圖案。

圖2. LPBF制造的Haynes 230樣品的OM和SEM圖像：(a, e) 0 wt%Zr；(b, f) 0.5 wt.% Zr；(c, g) 1 wt% Zr和(d, h) 1.5 wt% Zr。

在這項工作中，創新地采用偏析工程在凝固末期引入連續均勻的枝晶間液膜，并消除激光增材制造過程中的熱裂紋。該策略本質上是利用鎳基高溫合金中Zr低分配系數的特點，在晶胞和晶界處形成連續穩定的液膜，實現液體回填以緩解應力集中。評估了該工藝消除熱裂紋的能力，并研究了印刷樣品的晶胞和晶界處網絡金屬間化合物的形成。隨后，金屬間化合物的溶解，晶間碳化物的細化和轉變，系統地表征了熱處理過程中的M6C-to-MC。最后，測試最終樣品的力學性能，并將其與先前報告的樣品進行比較。

圖3. (a, b) SEM圖像分別展示了原始和Zr改性Haynes 230樣品的熱處理微結構。(c) TEM圖像顯示納米沉淀物均勻分布。(d) TEM圖像顯示了(a)中的詳細微觀結構，其中M6C沉淀物聚集在晶界。(e) Ni、W、Cr、Zr、Mo和C的EDS圖。(f)是(c)中顯示ZrC顆粒的SAED

圖4. 經3D打印和熱處理的Zr改性和原始Haynes 230樣品的應力-應變曲線。(b) LPBF制造的Haynes 230、傳統方法和本研究所用方法