南航《Acta Materialia》：鎳基高溫合金LDED增材制造及修復(fù)新開裂準(zhǔn)則

激光定向能量沉積（LDED）兼具近凈成形和再制造修復(fù)的雙重優(yōu)勢(shì)，在鎳基高溫合金構(gòu)件的高效制造與延壽方面展現(xiàn)出巨大潛力。然而，多數(shù)高性能鎳基高溫合金在LDED非平衡凝固的熱物理?xiàng)l件下表現(xiàn)出極高的裂紋敏感性。因此，針對(duì)這種非平衡凝固過程，建立準(zhǔn)確的“合金成分-本征開裂敏感性”的定量判斷準(zhǔn)則，對(duì)指導(dǎo)開展高溫合金的高質(zhì)量增材/修復(fù)時(shí)的成分篩選和合金設(shè)計(jì)具有重要意義。

針對(duì)上述問題，南京航空航天大學(xué)激光焊接與再制造技術(shù)研究所提出了鎳基高溫合金LDED新開裂準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立于商用熱力學(xué)軟件的本征裂紋敏感性指數(shù)化計(jì)算。該項(xiàng)研究成果以“A new cracking criterion for additive manufacturing and repair of Ni-based superalloys via laser directed energy deposition”為題發(fā)表于《Acta Materialia》。博士生關(guān)肖虎為論文第一作者，通訊作者為王磊磊副教授，占小紅教授。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122400

相同的LDED工藝參數(shù)下，鎳基高溫合金的開裂傾向與成分密切相關(guān)。寬工藝窗口下In738的裂紋始終存，說明相比工藝參數(shù)的優(yōu)化，鎳基高溫合金的成分是LDED開裂敏感性的決定因素。且LDED中裂紋類型為凝固裂紋、固態(tài)裂紋、液化裂紋混合的開裂模式。

圖1 In738在LDED中的混合開裂模式

裂紋位置位于高角度晶界。然而高角度晶界比低角度晶界裂紋敏感性更高的規(guī)律，可預(yù)測(cè)固有裂紋敏感性高的合金中裂紋發(fā)生位置。但卻無法解釋與In738成分類似的In939等合金在LDED過程中不發(fā)生開裂的現(xiàn)象。因此高角度晶界比例與本征裂紋敏感性之間并無必然聯(lián)系。

圖2 裂紋位置的EBSD及晶界能分析

EPMA結(jié)果顯示，合金元素顯著向枝晶間區(qū)域偏析，且裂紋沿著偏析路徑擴(kuò)展，這說明開裂與溶質(zhì)分配引起的合金元素偏析聯(lián)系密切。而LDED的非平衡凝固特征使得基于“無擴(kuò)散”假設(shè)的Scheil模型成為描述該過程溶質(zhì)分配最理想的物理框架。基于該假設(shè)結(jié)合高精度EPMA數(shù)據(jù)通過方差擬合，可求解出鎳基高溫合金各合金元素LDED過程的特征溶質(zhì)分配系數(shù)k，該方法對(duì)局部溶質(zhì)波動(dòng)不敏感，計(jì)算得到的k值具有較高的魯棒性。可作為一種普遍的溶質(zhì)分配系數(shù)精確求解方法。

圖3 裂紋位置的元素分布及溶質(zhì)分配系數(shù)求解

圖4 溶質(zhì)分配系數(shù)擬合求解方法

元素初始濃度和與溶質(zhì)分配系數(shù)共同導(dǎo)致液相中正偏析元素濃度的升高，進(jìn)一步導(dǎo)致枝晶間液相殘留，該液相面積Se可以作為一種全新的凝固開裂描述符，并能間接衡量液化裂紋敏感性。

圖5 初始成分與溶質(zhì)分配系數(shù)共同作用下的凝固裂紋機(jī)理

利用矩陣空間變換的數(shù)學(xué)方法簡(jiǎn)明嚴(yán)格的證明了熱力學(xué)凝固路徑與枝晶生長(zhǎng)幾何空間的仿射變換關(guān)系。在這一數(shù)理新見解上，可通過熱力學(xué)凝固路徑信息解析求解Se值作為凝固開裂敏感性指數(shù)，該指數(shù)也可間接指示液化裂紋敏感性。

圖6基于雙晶模型的LDED凝固開裂準(zhǔn)則數(shù)學(xué)解析示意圖及描述符矩陣變換

通過連貫的解析推導(dǎo)建立了新凝固開裂準(zhǔn)則極其指數(shù)化計(jì)算，其中2λ為一次枝晶臂間距，G為溫度梯度，Ts為每一fs下的液相固相線溫度。該準(zhǔn)則在凝固末期時(shí)迅速收斂，克服了以往準(zhǔn)則在凝固末期的指數(shù)化計(jì)算不收斂問題，且可間接指示液化裂紋敏感性。

圖7 通過微積分解析推導(dǎo)可求得Se的計(jì)算解析式

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)變協(xié)調(diào)是固態(tài)開裂的一個(gè)關(guān)鍵特征。整體應(yīng)力水平由熱應(yīng)力和相變應(yīng)力決定，其中較高的應(yīng)力會(huì)直接加劇固態(tài)裂紋敏感性（ICS）。此外，枝晶間固溶強(qiáng)化和γ’析出強(qiáng)化差異所導(dǎo)致的應(yīng)變屏蔽效應(yīng)會(huì)增加應(yīng)變局部化程度從而增加ICS。通過建立ICS準(zhǔn)則作為補(bǔ)充判據(jù)，成功建立了一個(gè)更為全面的 LDED開裂敏感性評(píng)估綜合框架。結(jié)合Se指數(shù)可綜合評(píng)價(jià)鎳基高溫合金LDED本征裂紋敏感性，且不依賴商用熱力學(xué)軟件，顯著降低了計(jì)算成本。這為鎳基高溫合金的LDED增材/修復(fù)提供了明確的選材標(biāo)準(zhǔn)，并在高通量成分設(shè)計(jì)與抗開裂成分篩選方面展現(xiàn)出顯著的應(yīng)用潛力。

圖8 固態(tài)裂紋敏感性示意圖

本文來自“材料科學(xué)與工程”公眾號(hào)，感謝論文作者團(tuán)隊(duì)支持。

近期學(xué)術(shù)會(huì)議推薦

歡迎留言，分享觀點(diǎn)。點(diǎn)亮?