621所顶刊综述丨增材制造航空航天典型复杂结构及其应用

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。 图1 增材制造镍基高温合金中的四种开裂机制近日，西安交通大学金属材料强度全国重点实验室研究团队在《Advanced Materials》发表了题为《不可焊镍基高温合金的可打印化与显微组织可设计化》（“Turn Nonweldable Ni-Superalloys Printable and Microstructurally Controllable”）的综述（Review）论文。从“缺陷控制-组织调控-性能优化”的视角出发，系统梳理了高裂纹敏感性高温合金在激光/电子束增材制造领域的代表性研究成果及最新进展，阐述了元素微观偏析、熔池几何特征以及微观缺陷与残余应力的时空分布对热裂纹形成机制、晶粒组织演化规律以及材料室温/高温力学行为的作用机制。文章首先从合金成分设计、工艺参数优化和定制化热处理三方面，揭示热裂纹形成机制并提出关键止裂策略；随后对激光粉末床熔融技术（L-PBF）、激光直接能量沉积技术（L-DED）以及电子束选区熔化技术（EB-PBF）三种典型增材工艺下得到的打印态组织开展多尺度对比分析，展示了不同技术在高温合金组织调控方面的优势及局限性；通过比较传统铸态和打印态高温合金的拉伸性能和蠕变性能表现，明确了该类材料的性能优化路径和未来研究方向；文章最终以航空发动机涡轮叶片的增材制造为典型应用场景，从基础科学问题与工程转化潜力层面审视了该领域的发展现状与未来趋势，并从Ai赋能合金成分设计、裂纹缺陷高通量原位表征、晶粒组织空间定点编程，以及“成分–组织–工艺–热处理”多维一体化设计理念等前沿方向出发，提出了增材制造镍基高温合金面向未来的研究框架与发展展望。 图 2 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 图 3 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 图4 增材制造镍基高温合金的未来发展展望西安交通大学材料学院博士生王兆伟为论文第一作者，西安交通大学材料学院陈凯教授、新加坡南洋理工大学李强博士为论文共同通讯作者，贵州大学材料与冶金学院特聘教授刘飞、新加坡科技研究局(A*STAR)高叔博研究员参与了数据整理和论文写作。该论文依托金属材料强度全国重点实验室，同时得到国家重点研发计划（项目编号：2023YFB12002）和国家自然科学基金（项目编号：W2411048、52271042）的资助支持。来源：增材制造硕博联盟