题目：Turn Nonweldable Ni‐Superalloys Printable and Microstructurally Controllable

通讯作者：陈凯，西安交通大学；李强，新加坡南洋理工大学

作者：Zhaowei Wang (王兆伟)，Fei Liu (刘飞)，Shubo Gao (高叔博)，Qiang Li^* (李强)，and Kai Chen^*(陈凯)

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202517003

课题组主页：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/kc_xjtu/home

【背景介绍】

镍基高温合金因其在高温、高应力和复杂服役环境下仍保持优异的力学性能，被广泛应用于航空发动机、燃气轮机和能源装备等关键领域。这类合金通常依靠精密的化学成分设计和严格调控的显微组织结构来获得良好的高温强度、抗蠕变和抗疲劳性能。然而，传统高温合金构件主要通过铸造与机械加工等“等材”或“减材“方式获得，存在制造工序繁琐、生产周期长、产品合格率低等问题，且长期服役时难免受高温冲蚀、热交变载荷等因素影响产生损伤、导致失效。近年来，金属增材制造技术（即3D打印）的快速发展为高温合金复杂构件的制造及修复提供了全新的技术路径。通过逐层选区熔化、堆积成形，增材制造在工艺灵活性、材料利用率以及加工效率等方面展现出明显优势。然而，这一技术在实际应用中仍面临诸多挑战，例如打印过程中易产生热裂纹、晶粒组织难以精确调控，以及打印态组织对材料性能的影响机制尚不明确等问题。尤其对于高裂纹敏感性高温合金，如何在抑制冶金缺陷的同时，实现组织与性能的协同优化，是制约该领域发展的关键桎梏。

【文章亮点】

近日，西安交通大学陈凯教授团队在Advanced Materials上发表了题为“Turn Nonweldable Ni-Superalloys Printable and Microstructurally Controllable”的综述（Review）论文。该文系统阐述了不可焊镍基高温合金在增材制造过程中面临的科学问题和技术挑战，梳理了关于热裂纹控制、晶粒组织调控、以及合金力学性能优化等热点方向的最新研究进展，并以航空发动机涡轮叶片为例，展望了高性能金属构件增材制造与修复的未来发展方向。

首先，围绕增材制造不可焊镍基高温合金的裂纹难题，作者归纳了四类典型的开裂机制(图1)：凝固裂纹与液化裂纹属于高温阶段液膜参与的“热裂纹”，而应变时效裂纹与失塑裂纹则多在固态塑性变形过程中产生。文章指出，晶界处的微量元素偏析及低熔点相（如γ/γ′共晶、碳化物等）是裂纹萌生的关键诱因，尤其当Hf、Zr、B等元素在晶界富集时，易形成连续晶间液膜并诱发开裂。针对开裂问题，文章梳理并总结了三条止裂策略：其一，通过微量元素“减量/再分配”或协同添加的方式，缩短凝固温度区间、削弱晶界液膜连续性，在可打印性与高温强度之间实现平衡(图2)；其二，借助功率、扫描速度与扫描策略改进优化热输入与熔池形貌，降低热梯度与残余拉应力，避免高角晶界处的开裂(图3)；其三，结合打印前基材固溶热处理、打印过程原位加热以及打印后热处理，进一步缓解晶界液化、避开“失塑”区间并释放残余应力，从源头抑制裂纹形成(图4)。

图1增材制造镍基高温合金中的四种开裂机制

图2 (a)元素偏析导致的高温合金枝晶干与枝晶间的成分差异；(b-c)散点图表征不同成分高温合金抵抗热变形的能力和AM加工时的裂纹敏感性差异；(d) 微观元素偏析对热裂纹萌生和扩展行为的影响机制；(e-h) 调整微量元素含量实现热裂纹抑制的不同方法和策略

图3(a-c) L-PBF, (d) L-DED, 和 (e-f) EB-PBF工艺下热源功率、扫描速度

与打印态高温合金裂纹密度的关系

图4热处理对增材制造镍基高温合金裂纹形成倾向的影响。(a-c)铸态基板内元素偏析对打印态合金杂晶和液化裂纹形成倾向的作用机制；(b-e) 铸态基板和热处理基板增材接续成形后组织对比；(f-h) 感应加热抑制增材热裂纹的形成

此外，该文章对比分析了传统铸态定向晶镍基高温合金与三类典型增材工艺（L-PBF、L-DED、EB-PBF）下所得打印态高温合金的显微组织结构（图5），研究表明，铸态合金内的毫米级柱状晶存在明显<001>取向织构，枝晶间区域往往保留粗大的γ/γ′共晶和MC碳化物相，元素偏析严重；相比之下，L-PBF受高冷却速率影响，易形成“细小柱状晶+等轴晶”并存的混合组织（多为<100>/<101>织构）及亚微米级胞状亚结构，且通常γ′相尺寸极为细小、甚至难以分辨；L-DED组织内熔池尺寸可达毫米量级，打印态晶粒组织往往也较为粗大，且枝晶间距受参数影响在几微米至几十微米间可控，元素偏析程度较L-PBF更高，增材过程中易伴随严重的应力累积，产生变形和裂纹缺陷。相比之下，EB-PBF依托于粉床的高温预热与电子束热源能量分布状态的不同，熔池倾向于形成宽且浅的扁平状形貌，因而更有利柱状晶乃至单晶组织的制备成形，其枝晶尺寸介于L-PBF和L-DED之间，枝晶干和枝晶间元素偏析得到抑制，γ′相尺寸和形貌分布更为均匀。

图 5传统铸态定向晶与不同增材制造工艺制备镍基高温合金的显微组织结构对比。(a) 铸态定向晶组织及增材制造过程中形成的多尺度组织结构； (b-g) 不同打印态不可焊镍基高温合金的熔池形貌、晶粒形貌和晶体取向、枝晶组织、元素分布、析出相及位错结构

在组织调控层面，该文章以温度梯度G与凝固速率V为核心变量，系统揭示了二者协同决定枝晶形貌与尺寸的微观机制（图6）。研究表明，熔池形貌可作为连接热源运动、凝固界面推进及枝晶生长行为的关键纽带：当采用宽而浅的扁平熔池时，熔池内热流方向与⟨001⟩枝晶择优生长取向趋于一致，从而赋予择优取向晶粒更高的温度梯度和更低的凝固速率，实现稳定的定向外延生长。基于此，研究者提出通过协同调控热源功率、扫描速度、熔池搭接率及基材温度，实现熔池形貌与凝固条件的重构，从而在单晶外延生长与柱状–等轴晶转变（CET）诱导的细晶化之间按需切换。该策略为航空发动机叶片不同部位（如叶尖与榫头）的晶粒组织定制化设计提供了新的工艺思路。

图 6增材制造镍基高温合金的凝固组织特征。(a) 温度梯度与凝固速率对凝固组织形貌与尺寸的影响; (b-d) 单道熔化过程中热源运动、凝固界面推进及晶粒择优生长之间的内在关系; (e-g) 激光功率、扫描速度和基材温度等工艺参数对打印态枝晶尺寸的影响

在力学性能层面，文章系统对比了典型增材制造工艺（L-PBF、L-DED 和 EB-PBF）制备的镍基高温合金与铸态、锻态材料在室温与高温拉伸及蠕变性能方面的差异。总体来看，经适当热处理或热等静压（HIP）后，多数打印态合金的屈服强度和延展性已可达到铸态水平，并在室温下常表现出更高的抗拉强度和显著增强的加工硬化能力。这种力学优势主要源于增材制造特有的多尺度层级组织，包括细化的胞状/枝晶亚结构、晶界与枝晶间弥散分布的碳化物和细小γ′析出相，以及晶内高密度位错的协同强化作用。在蠕变性能方面，打印态不可焊镍基高温合金整体已具备与铸态对标的潜力，其中EB-PBF合金体系表现尤为突出。然而，打印构件在不同取向上的蠕变性能各向异性仍是制约其工程应用的关键挑战。在未来研究中，如何在晶粒组织可设计、可复制的基础上，实现打印态镍基高温合金高温拉伸与蠕变性能的系统验证与各向异性调控，将成为下一阶段增材制造高温合金研究迈向可靠性评估与工程应用转化的核心议题。

图 7增材制造与铸造、锻造镍基高温合金的拉伸与蠕变性能对比。(a-c) 打印态高温合金与传统铸件室温拉伸时屈服强度、抗拉强度、加工硬化能力及延伸率的对比；(d-f) 不同温度下打印态不可焊高温合金和对应铸件的屈服强度、抗拉强度以及延伸率对比；(g)典型铸造、锻造及增材制造镍基高温合金蠕变性能对比；(h) 打印态镍基高温合金IN738LC的蠕变各向异性

【总结与展望】

总结而言，文章从材料、工艺与性能协同设计的视角，系统阐述了增材制造不可焊镍基高温合金在裂纹抑制、晶粒组织调控及力学性能提升方面的关键进展。研究指出，增材制造过程中形成的多尺度层级组织为高温合金性能突破提供了新的结构基础。通过协同调控合金成分、熔池凝固行为与热处理路径，可在不同合金体系内实现单晶外延生长与细晶组织的一体化制备，为复杂服役条件下涡轮叶片不同部位的组织定制提供了可行方案。展望未来，随着人工智能与原位表征技术的快速发展，增材制造有望实现对高温合金组织与性能的精准编程。借助机器学习与CALPHAD热力学计算、高通量实验及凝固模拟的深度融合，合金设计将从经验筛选转向预测优化，在保持高体积分数γ′相强化效果的同时，有效规避裂纹敏感成分区间。同时，通过优化熔池形貌与热输入路径，重塑局部温度梯度与凝固速率分布，可在凝固阶段抑制低熔点γ/γ′共晶的形成，并在固态冷却与相变过程中缓解应变集中，从源头降低裂纹萌生与扩展的驱动力。进一步结合对柱状–等轴晶转变（CET）的精准调控，以及定制化甚至原位热处理策略，对残余应力、位错结构和 γ′ 析出演化进行协同调节，最终有望构建“合金–工艺–组织–性能”高度耦合的闭环设计体系，推动增材制造高温合金从经验调控走向可预测设计，并为其在复杂热端构件中的可靠应用奠定基础。

图 8不可焊镍基高温合金增材制造的技术路线图与未来发展方向

【作者介绍】

陈凯，西安交通大学教授、博导。2005年于北京大学获学士学位，2009年于美国加州大学洛杉矶分校获博士学位，2007年至2009年于美国劳伦斯伯克利国家实验室任客座研究助理，2009年至2011年于美国加州大学伯克利分校、美国劳伦斯伯克利国家实验室进行博士后研究工作。2011年加入西安交通大学材料学院，同年入选国家级青年人才计划。任上海同步辐射光源专家组成员、全国热处理学会理事、中国材料研究学会分析表征分会理事、陕西省材料及热处理学会理事长、教育部燃气轮机重点领域教学资源建设项目专家、授权发明专利40余项、计算机软件著作权10余项，在Science、AdvancedMaterials、MaterialsToday等国际知名杂志发表SCI论文百余篇。

李强，现为新加坡南洋理工大学、机械与航空航天工程学院（NTU, MAE）博士后研究员（Research Fellow），隶属于Upadrasta Ramamurty教授课题组。2018年和2023年分别在西安交通大学、材料科学与工程学院获得学士与博士学位；2021-2022年期间，以联合培养博士生身份在Ram教授课题组开展交流研究；2023年加入南洋理工大学，为博士后研究员。其主要研究兴趣包括先进金属材料的开发及其变形机理、断裂与疲劳行为研究。以第一或通讯作者在Acta Materialia、Scripta Materialia、MMTA、MSEA等国际知名期刊发表SCI论文多篇，并获得授权专利3项。

王兆伟，西安交通大学材料科学与工程学院在读博士生。2019年在南京航空航天大学材料科学与技术学院获学士学位。2024-2025年，以联合培养博士生身份在新加坡国立大学机械工程系开展交流研究。研究方向主要涉及镍基高温合金增材制造及组织性能调控、高温合金叶片热处理和修复技术开发、金属材料增材制造工艺设计，在AdvancedMaterials，MaterialsResearchLetters等知名学术杂志发表论文8篇，申请发明专利6项。

【团队介绍】

西安交通大学陈凯教授团队近年来聚焦于同步辐射微束劳厄衍射技术的软硬件开发、镍基高温合金叶片热处理及增材制造、以及全固态电池界面优化与先进制备技术三大方向，开展诸多原创性研究。团队领导开发了X射线衍射原位实验装置及两款同步辐射微衍射数据挖掘软件PYXIS、XtalCAMP，授权相关发明专利30余项、计算机软件著作权8项，软件数据分析效率国际领先；在上海光源测试线站设计搭建我国首条微束劳厄线站，相关工作以封面文章发表于Science China Materials。围绕定向晶/单晶镍基高温合金的回复和再结晶机理、性能恢复热处理制度设计、以及增材制造热裂纹与应力/组织调控等课题，团队近十年来在Advanced Materials(2), Additive Manufacturing (2), Materials Research Letter (5),以及Journal of Materials Science & Technology (1)等知名学术期刊发表学术论文20余篇，申请相关发明专利10余项。针对全固态电池失效问题，团队围绕电化学循环过程中缺陷的时空演化规律和损伤机制开展系统研究，并基于先进表征技术实现结构-功能一体化设计，相关成果发表在Advanced Materials (2), Materials Today (1), Journal of Materials Chemistry A等知名国际学术期刊上。课题组主页:https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/kc_xjtu/home.诚挚欢迎有志于攻读硕士、博士学位以及申请博士后岗位的同学进一步关注交流！

团队主要研究方向