上海航天信息研究所、上交大 l 航天用镍基高温合金及其激光增材制造研究现状

| 3DScienceValley · 2024/04/10

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新型航天器用镍基高温合金部件呈现出复杂化、薄壁化、复合化、一体化的发展趋势，使得传统的铸造或锻造加工技术无法胜任。基于逐层堆积的激光增材制造（LAM）技术是实现这类复杂部件制备的理想解决方案，能够进一步赋予高温合金更高的价值，极大地推动航天装备的发展。

在《精密成形工程》期刊的《航天用镍基高温合金及其激光增材制造研究现状》一文中，来自上海航天信息研究所与上海交通大学的研究团队，首先介绍了航天领域常用的镍基高温合金种类，然后以研究最多的 IN 718和IN 625合金为例，总结了镍基高温合金增材制造的研究现状：归纳了镍基高温合金增材制造工艺优化方法，表明增材制造综合加工图和实验设计方法是两种行之有效的方法；指出了增材制造镍基高温合金材料的微观组织特点，讨论了增材制造后续热处理对材料微观组织和力学性能的影响规律，表明增材制造技术极快速冷却的特点引起镍基高温合金材料内部存在普遍的局部微观偏析现象，导致常规热处理工艺不再是最优工艺；并通过5个典型的增材制造镍基高温合金航天构件案例展示了增材制造技术的优势。在此基础上，针对镍基高温合金增材制造过程中存在的关键科学问题和技术难题，展望了增材制造镍基高温合金未来的研究方向。

图文解析

图1 IN 617 高温合金蜂窝夹芯结构及侧壁示意图

图2 LPBF 综合加工图的构建

图3 合金成分及工艺参数对裂纹出现倾向和孔隙率的影响

图4 增材制造样品的微观偏析

图5 增材制造后热处理对不同镍基高温合金力学性能的影响

图6 970 ℃固溶时效时 δ 相的析出及长大

图7 新型热处理工艺提供优异的强塑性

图8 增材制造对 IN 625 合金中 δ 相析出动力学的影响

图9 不同热处理工艺对 LPBF−IN 625 合金微观组织和力学行为的影响

图10 HIP 对增材制造IN 718合金微观组织的有益影响

图11 激光增材制造的镍基高温合金航天构件

图12 LPBF和DLMD技术的比较

总结

镍基高温合金是航天工业中不可或缺的材料，随着金属增材制造理论研究的深入，增材制造技术将进一步扩大和加快镍基高温合金在航天领域的应用。然而，增材制造技术涉及极为复杂的冶金、物理、化学、热耦合等过程，尽管在航天器构件制备方面有很多成功的案例，且针对镍基高温合金的增材制造也进行了大量的研究，但“材料–增材制造工艺–后续热处理–组织–性能”之间的匹配关系仍不是十分清晰。在今后的研究中，以下几个方面仍值得进一步关注。

1）镍基高温合金成分十分复杂，且对增材制造工艺参数极为敏感，厘清关键合金元素与增材制造缺陷的关联关系对制备零缺陷材料至关重要。

2）微观偏析是增材制造镍基高温合金中普遍存在的现象，往往给材料的微观组织和力学性能带来不利的影响。通过优化合金成分和增材制造工艺参数来减轻或消除微观偏析现象是一个重要的关注点。

3）增材制造镍基高温合金材料独特的微观组织给增材制造后续热处理工艺选择带来一定的挑战性：用于铸造或锻造镍基高温合金的常规热处理工艺将不再是最优的工艺规范。开发新的热处理工艺，通过对微观组织的调控，获得高强韧增材制造镍基高温合金是一个艰巨的任务。同时，具有热–机械协同效应的热等静压技术单独或与其他热处理工艺相结合，在消除冶金缺陷和调控微观组织方面均具有积极的效果，有望成为提高增材制造构件性能的非常有前景的选择。

4）室温和高温强度、疲劳、蠕变、腐蚀及抗氧化性能均是镍基高温合金服役的重要指标。目前的研究大多集中在室温和高温强度方面，应进一步加强对增材制造镍基高温合金其他性能的评价。

5）镍基高温合金增材制造构件的研制是一个复杂的系统工程，涉及材料、粉体制备、增材制造技术、构件设计、制造标准等，需进行全面系统的研究，以满足未来航天领域快速发展的挑战。

本文引文格式：
DOI:10.3969/j.issn.1674-6457.2023.01.020
期刊英文名称简写：J. Netshape Form. Eng.
陈娇，罗桦，贺戬，谭庆彪，祝国梁等.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.
Chen Jiao, LUO HUA, HE Jian, TAN QingBIAO, ZHU Guoliang et al. Research status of Nickel-based superalloys and laser additive manufacturing for aerospace[J]. Precision Forming Engineering, 2023, 15(1): 156-169.

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