1. 引言
高温合金的重要性：高温合金因其能够在600℃以上复杂应力状态下长期服役，被广泛应用于航空、航天以及核工业等关键领域[2]。在航天领域，镍基高温合金如IN718和IN625等，因其优异的高温强度、抗氧化和抗燃气腐蚀能力，成为发动机热端部件制造的核心材料[9]。这些部件通常需要在极端环境下承受高应力、高温和腐蚀性介质的作用，因此高温合金的性能直接决定了装备的可靠性和使用寿命。
激光增材制造技术的变革：激光增材制造技术作为一种新兴的制造工艺，为高温合金构件的制造带来了革命性变化。该技术通过逐层堆积的方式，能够实现复杂结构零件的一体化成形，显著减少了传统制造工艺中的材料浪费和加工时间[2]。此外，基于送粉和送丝的两种典型增材制造技术——激光熔化沉积技术(LMD)和选择性激光熔化技术(SLM)，分别以其高精度和优异组织性能的特点，在高温合金零部件成形中展现了独特优势[9]。然而，这一技术的广泛应用仍面临诸多挑战，尤其是裂纹控制与微观组织优化问题亟待解决。
裂纹控制与微观组织优化的意义：裂纹控制与微观组织优化是提高激光增材制造高温合金构件力学性能和可靠性的关键环节。由于增材制造过程中高温度梯度和残余应力的存在，合金开裂倾向性显著增加，这不仅限制了构件的使用寿命，还可能引发严重的安全隐患[1]。同时，微观组织的优化能够显著改善合金的力学性能、抗氧化性能及抗腐蚀能力，从而满足航空航天等领域对高性能材料的苛刻要求[3]。因此，深入研究裂纹形成机理及其控制策略，以及微观组织演变规律与优化方法，对于推动高温合金激光增材制造技术的发展具有重要意义。
2. 激光增材制造高温合金裂纹产生机理
2.1 热应力因素
在激光增材制造过程中，高温度梯度的存在是不可避免的，这种温度梯度会导致显著的热应力累积，从而对裂纹的形成产生重要影响。由于激光束的局部加热特性，熔池区域温度迅速升高，而周围基体则保持相对低温，这种极端温差引发了热膨胀与收缩的不均匀分布，进而产生热应力[3]。当热应力超过材料的屈服强度时，便可能诱发裂纹萌生与扩展。此外，随着熔覆过程的进行，温度场与应力场的变化规律也对应力累积起到关键作用。研究表明，在冷却阶段，残余应力主要集中在成形件底部边缘处，这些区域成为裂纹高风险区[14]。因此，理解热应力分布及其演化规律对于揭示裂纹形成机制至关重要。
2.2 材料特性影响
高温合金自身的材料特性同样是裂纹形成的重要影响因素之一。首先，元素偏析行为在凝固过程中扮演了关键角色。例如，铝、钛、钼等元素在凝固末期倾向于在枝晶界处偏析，这种偏析会导致液相补缩不足，从而促进凝固裂纹的形成[1]。其次，凝固温度范围的宽度直接影响了固液两相共存区间的大小，较宽的凝固温度范围会增加液相通道的长度，进一步加剧凝固裂纹的风险[4]。此外，高温合金中高熔点碳化物的存在也会阻碍液相流动，使得枝晶间通道内的液相无法有效补充，最终引发裂纹。这些材料特性与裂纹形成之间的复杂关系需要通过深入的实验与理论分析加以阐明。
2.3 工艺参数关联
激光功率、扫描速度等工艺参数的选择对裂纹形成具有显著的内在联系。研究表明，激光功率和扫描速度直接影响熔池的大小、形状及其动力学行为，这些因素共同决定了凝固条件的好坏[6]。较高的激光功率可能导致熔池过热，从而增加凝固裂纹的风险；而较低的扫描速度则可能延长熔池存在时间，加剧热应力累积。另一方面，线间距和激光偏转角度等参数也会影响熔池的重叠程度，进而改变裂纹敏感性。例如，极窄的线间距能够促进熔池之间的强烈重叠，从而降低开裂程度[6]。因此，合理调控工艺参数是控制裂纹形成的关键手段之一。
3. 激光增材制造高温合金微观组织演变规律
3.1 工艺参数对晶粒形态的影响
在激光增材制造过程中，工艺参数的调整显著影响高温合金的晶粒形态。激光功率和扫描速度作为关键参数，直接决定了熔池的温度场和冷却速率，从而对晶粒尺寸和形貌产生重要作用[6]。研究表明，较高的激光功率通常会导致熔池温度升高，延长液态存在时间，促进晶粒长大；而较低的扫描速度则提供了更长的热输入时间，进一步加剧晶粒粗化现象。相反，当激光功率降低或扫描速度增加时，冷却速率加快，倾向于形成细小的等轴晶或非均匀分布的柱状晶[6]。此外，线间距和激光偏转角度等参数通过改变熔池的重叠程度和热量分布，间接影响晶粒的生长方向及其形态特征。例如，M. Cloots等的研究表明，稳定的能量密度有助于减少裂纹数量，同时也能改善晶粒的均匀性[6]。因此，合理调控工艺参数是优化晶粒形态的关键手段。
3.2 工艺参数对相分布的影响
高温合金中的析出相种类、数量及分布对其性能具有重要影响，而这些特征受激光增材制造工艺参数的显著调控[4]。随着激光功率和扫描速度的变化，熔池的温度历史和凝固行为发生显著改变，进而影响析出相的形成机制。朱煜等的研究表明，在激光金属沉积过程中，随着Al元素含量的增加，γ/γ'共晶和碳化物的析出量逐渐增多，并在w(Al)=7%时达到峰值[4]。这种现象可归因于高熔点碳化物在晶界的钉扎作用以及低熔点共晶的重熔行为，最终导致凝固裂纹和液化裂纹的形成。此外，工艺参数的变化还会影响固溶体中元素的扩散速率，从而改变析出相的尺寸和立方度。例如，适当的激光功率和扫描速度组合可以促进γ'相的均匀分布，提高合金的力学性能[4]。因此，精确控制工艺参数对于优化高温合金中的相分布至关重要。
3.3 微观组织与性能的关系
微观组织特征直接决定了高温合金构件的力学性能和抗氧化性能，这在激光增材制造过程中尤为突出[1][3]。晶粒形态和析出相分布对合金的强度、塑性和断裂韧性具有显著影响。例如，细小均匀的等轴晶能够有效阻碍位错运动，从而提高合金的屈服强度和抗拉强度；而粗大的柱状晶则可能因晶界弱化而导致力学性能下降[3]。此外，析出相的种类和分布也对性能起着关键作用。γ'相的尺寸和立方度增加能够增强合金的抗蠕变性能，而碳化物的偏析则可能导致晶界脆化，降低合金的延展性[4]。在抗氧化性能方面，致密且均匀的氧化膜形成依赖于良好的微观组织状态。研究表明，优化后的微观组织能够显著提高合金的抗氧化能力，从而延长其在高温环境下的使用寿命[1]。因此，通过调控激光增材制造工艺参数来优化微观组织，是提升高温合金构件综合性能的重要途径。
4. 裂纹控制策略
4.1 优化工艺参数
裂纹控制是激光增材制造高温合金的关键环节，而工艺参数的优化在这一过程中扮演着重要角色。研究表明，激光功率、扫描速度、线间距等工艺参数对裂纹的形成具有显著影响。具体而言，激光功率和扫描速度直接决定了熔池的大小、形状及其动力学行为，进而影响凝固条件和裂纹敏感性[6]。例如，L. N. Carter等通过研究SLM制造CM247LC镍基高温合金的裂纹特征，建立了裂纹最小化的工艺窗口，尽管无法完全消除裂纹，但显著降低了其发生率[6]。此外，线间距的选择也至关重要，极窄的线间距能够促进熔池与相邻熔池之间的强烈重叠，从而有效降低开裂程度[6]。M. Cloots等的研究进一步表明，裂纹数量与能量密度密切相关，稳定的熔池有助于减少裂纹的形成[6]。因此，在实际生产中，合理调控这些工艺参数可以显著改善构件的裂纹控制效果。
4.2 引入预热或后处理工艺
除了优化工艺参数外，引入预热或后处理工艺也是控制裂纹的重要手段。预热能够通过降低温度梯度减缓冷却速度，从而减少热应力的积累，抑制裂纹的形成[3]。热等静压作为一种典型的后处理工艺，已被广泛应用于消除或减少激光增材制造高温合金中的裂纹。例如，Tomus等通过对激光粉末床熔融GH3536合金进行热等静压处理，成功消除了内部孔隙并提高了材料的室温伸长率[3]。然而，Han等的研究表明，尽管热等静压能够消除孔隙与微裂纹，但同时也可能导致抗拉强度与屈服强度的下降[3]。类似地，热等静压对激光选区熔化增材制造GH3230高温合金的影响也得到了深入探讨。研究发现，热等静压可以消除小尺寸微裂纹和气孔，但对于较长的微裂纹仅能使其弥合变窄、变短，而无法完全消除[7]。这表明，后处理工艺的选择需综合考虑裂纹类型及其分布特征。
4.3 控制材料成分
材料成分的调控是降低裂纹敏感性的另一重要途径。高温合金中元素偏析及凝固温度范围等因素对裂纹形成具有显著影响，因此通过调整合金成分可以有效改善其抗裂性能。例如，Al元素在增材制造镍基高温合金中的含量变化对裂纹形成机制的研究表明，随着Al含量的增加，γ/γ'共晶、碳化物等析出相逐渐增多，并在w(Al)=7%时达到峰值，导致凝固裂纹和液化裂纹大量形成[4]。此外，高熔点碳化物钉扎在晶界以及低熔点共晶重熔现象也是裂纹形成的重要原因[4]。针对NiFe基高温合金的研究进一步揭示了元素偏析与热应力共同作用导致热裂纹的机理。通过层间温度控制以及粉末氮化的方法，可以有效降低该合金的热裂纹敏感性[5]。具体而言，粉末预氮化能够形成稳定氮化物，抑制开裂敏感性元素的偏析，同时增加形核点以促进晶粒细化，从而降低裂纹敏感性[5]。这些研究为通过材料成分优化实现裂纹控制提供了理论依据和实践指导。
5. 微观组织优化方法
5.1 调整合金成分
通过添加或调整合金元素，可以有效优化高温合金的微观组织并提升其性能。例如，在增材制造镍基高温合金中，Al元素的含量对显微组织和力学性能具有显著影响。研究表明，随着Al含量从3%增加至4%，γ'相的尺寸和立方度逐渐增大，这种变化能够有效阻碍位错运动，从而提高合金的强度[4]。然而，当Al含量进一步增加至5%时，由于热裂纹、碳化物以及共晶含量的增加，合金性能反而下降。此外，采用机器学习（Machine Learning, ML）与抗裂因子筛选相结合的设计策略，能够开发出新型镍基高温合金，其在900°C时效后γ'相分数可达44.6%，且未见任何TCP相析出，实现了抗裂性与力学性能的平衡[12]。因此，合理调整合金成分是优化微观组织的重要手段之一。
5.2 磁场或超声场辅助
磁场和超声场等外场辅助技术在激光增材制造过程中对微观组织优化具有重要作用。磁场的作用机制主要体现在对熔池流动行为的影响上，通过施加外部磁场，可以改变熔池内的对流模式，进而影响凝固过程中的溶质再分配和晶粒生长方向。研究表明，磁场能够显著细化晶粒并改善析出相的分布均匀性，从而提升材料的综合性能[10]。超声场则通过引入高频振动，促进熔池内枝晶的破碎和重熔，减少凝固过程中产生的缩孔和裂纹缺陷。此外，超声场还能够抑制元素偏析现象，进一步优化微观组织。这些外场辅助技术的应用为高温合金激光增材制造中的微观组织优化提供了新的思路。
5.3 热处理工艺优化
热处理工艺是调控高温合金微观组织演变及提升性能的关键手段之一。通过对成形件进行适当的热处理，可以调整析出相的种类、数量和分布，从而优化材料的力学性能。例如，在选区激光熔化技术制备的新型镍基高温合金中，经过900°C时效处理后，γ'相分数显著增加，达到了44.6%，同时未观察到有害的TCP相析出[12]。这一结果表明，合理选择热处理参数能够有效促进有益相的析出，并抑制不利相的形成。此外，热处理还可以消除残余应力，减少裂纹扩展的风险，从而进一步提高构件的可靠性。因此，热处理工艺的优化在微观组织优化中占据重要地位。
6. 控制与优化措施的可行性与成本效益
6.1 实际生产可行性分析
在实际生产中，裂纹控制与微观组织优化措施的可操作性受到多种因素制约。例如，优化工艺参数虽能有效减少裂纹生成，但对激光功率、扫描速度等参数的精确调控需要高性能设备支持，这增加了技术难度[8]。此外，引入预热或后处理工艺如热等静压，虽可显著消除内部缺陷，但此类工艺对生产环境及设备要求较高，限制了其在部分场景中的应用。从材料成分控制角度来看，调整高温合金成分以降低裂纹敏感性，可能涉及复杂的材料研发流程，且需确保新成分满足构件服役性能要求，这在实际生产中具有一定挑战性[8]。
6.2 成本效益考量
实施裂纹控制与微观组织优化措施需综合考虑成本与效益。设备方面，高精度激光器及后处理设备购置成本高昂，且维护费用不菲。材料成本上，调整合金成分可能使用昂贵元素，增加原材料开支。时间成本亦不容忽视，复杂的工艺参数优化及后处理过程会延长生产周期。然而，这些措施若能显著提升构件性能，减少缺陷导致的返工与报废，从长远看可降低整体制造成本，提高产品可靠性与市场竞争力[8]。
7. 研究展望
7.1 新技术融合应用
随着科学技术的快速发展，人工智能（AI）和机器学习（ML）等新兴技术正逐步渗透到激光增材制造领域，为裂纹控制与微观组织优化提供了全新的解决方案。例如，在文献[12]中，研究者采用机器学习算法与抗裂因子筛选相结合的方法，成功开发出一种新型镍基高温合金，该合金在凝固过程中表现出优异的抗裂性能。通过热力学计算与实验验证，该方法不仅显著降低了裂纹产生的可能性，还实现了力学性能的有效提升。这表明，将机器学习技术引入激光增材制造过程，能够通过对大量工艺参数的优化分析，预测裂纹形成的风险区域，并制定相应的预防措施。此外，人工智能技术还可以通过实时监测熔池动态行为及温度场分布，动态调整激光功率、扫描速度等关键参数，从而进一步减少裂纹的发生概率[12]。这种智能化的制造模式不仅提高了生产效率，也为复杂构件的精密制造开辟了新途径。
7.2 新型材料研发
针对激光增材制造的特点研发专用新型高温合金材料，是解决裂纹与微观组织问题的另一重要方向。文献[12]指出，传统高温合金在设计时主要考虑铸造或粉末冶金工艺的需求，而激光增材制造因其独特的快速冷却特性，对材料的凝固行为提出了更高要求。因此，开发适用于激光增材制造的新型高温合金，需要重点关注其凝固温度范围、收缩应变以及析出相的稳定性等关键因素。例如，通过优化合金成分设计，可以降低凝固过程中的热应力集中，从而减少裂纹形成的可能性。同时，合理调控合金中γ'相的分数及分布，有助于提升材料的力学性能与抗氧化性能[12]。此外，未来的研究还可以探索添加微量稀土元素或其他功能元素，以进一步改善合金的抗裂性能与微观组织稳定性。这些新型材料的研发不仅能够满足激光增材制造对高性能材料的需求，还将推动高温合金在航空航天等领域的广泛应用。
7.3 跨尺度研究
为了更全面地理解裂纹与微观组织行为，开展跨尺度研究成为未来研究的重要趋势之一。文献[10]强调，激光增材制造过程中裂纹的形成机制涉及多个尺度层次，包括微观尺度的晶粒生长与相变、介观尺度的熔池流动与热应力分布，以及宏观尺度的构件整体性能表现。因此，仅从单一尺度进行分析难以揭示裂纹形成的本质原因。跨尺度研究旨在通过多物理场耦合建模与实验验证相结合的方式，构建从原子尺度到宏观尺度的统一理论框架。例如，利用分子动力学模拟可以深入研究裂纹萌生的微观机理，而有限元分析则可用于评估热应力对构件整体性能的影响[10]。这种多层次的研究方法不仅能够揭示裂纹形成的内在规律，还能为优化工艺参数与材料设计提供科学依据。未来的研究应进一步加强跨学科合作，整合材料科学、力学与计算科学等领域的研究成果，以实现裂纹控制与微观组织优化的全面突破。
参考文献
[1]万宏远;刘壮壮;韩泉泉;易新.激光增材制造高温合金抗开裂行为研究进展[J].航空科学技术,2022,33(9):26-42.
[2]闵捷;温东旭;岳天宇;李建军;郑志镇.增材制造技术在高温合金零部件成形中的应用[J].精密成形工程,2021,13(1):44-50.
[3]吴宇;陈冰清;刘伟;黄帅;孙兵兵;张学军;陈沛;黄辰.增材制造镍基高温合金在航空发动机与燃气轮机中的研究应用进展[J].航空材料学报,2024,44(1):31-45.
[4]朱煜;宋巍;梁静静;李金国.Al元素对一种增材制造镍基高温合金显微组织和拉伸行为的影响[J].东北大学学报（自然科学版）,2023,44(3):348-356.
[5]王帅;付立铭;袁勇;尹宏飞;徐济进;谷月峰.NiFe基合金激光增材制造热裂纹形成机理及调控[J].焊接学报,2022,43(5):8-13.
[6]代伟杰;康学良;张玲郁;李一鸣;计云萍.选区激光熔化成形高温合金裂纹研究进展[J].热处理技术与装备,2023,44(3):54-61.
[7]王继浩;刘凯歌;张雪峰;谢印开;李怀学.热等静压对激光选区熔化增材制造GH3230高温合金微裂纹与组织的影响[J].航空制造技术,2024,67(3):55-61.
[8]蔡玉华;熊俊;陈辉.激光增材制造过程监测与控制研究进展及展望[J].电焊机,2023,53(9):1-13.
[9]陈娇;罗桦;贺戬;谭庆彪;祝国梁.航天用镍基高温合金及其激光增材制造研究现状[J].精密成形工程,2023,15(1):156-169.
[10]曹亮;姚磊;梁静静;商连奇.激光增材制造金属构件的缺陷控制研究进展[J].铸造,2024,73(4):463-468.
[11]乔绅;周文哲;谭庆彪;董安平;祝国梁;疏达;孙宝德.镍基高温合金CM247LC增材制造研究进展[J].精密成形工程,2022,14(8):93-103.
[12]熊强;连利仙;胡旺;鲍子铭;高振桓;章语;刘颖.增材制造用新型镍基高温合金的设计与开发[J].铸造技术,2023,44(8):748-755.
[13]石彪.激光增材制造高温铝合金材料与工艺研究[J].中国金属通报,2023,(12):237-239.
[14]郭玉;曹宇;白朴存.GH4169镍基高温合金激光增材制造过程温度场应力场研究[J].内蒙古工业大学学报（自然科学版）,2020,39(5):336-344.
[15]张百成;王泳翔;曲选辉.基于增材制造的异种金属一体化成形关键问题[J].航空制造技术,2023,66(18):36-50.
作者简介：鄢国庆（1984—），男，汉族，四川泸县人，本科，研究方向为材料工程。
