根據AMPower的研究報告，到2028年，高溫合金和钛合金是增材制造的主流材料，增材制造用鎳基合金的銷量在2028年有望接近1萬噸，钛合金也将保持良好的增長态勢。
根據上海航天資訊研究所與上海交通大學的《航天用鎳基高溫合金及其雷射增材制造研究現狀》一文，鎳基高溫合金是航天工業中不可或缺的材料，随着金屬增材制造理論研究的深入，增材制造技術将進一步擴大和加快鎳基高溫合金在航天領域的應用。然而，增材制造技術涉及極為複雜的冶金、實體、化學、熱耦合等過程，盡管在航天器構件制備方面有很多成功的案例，且針對鎳基高溫合金的增材制造也進行了大量的研究，但“材料–增材制造技術–後續熱處理–組織–性能”之間的比對關系仍不是十厘清晰。
本期，通過聚焦近期國内在高溫合金方面的實踐與研究的多個閃光點，3D科學谷與谷友一起來領略的這一領域的研究近況。
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Si含量對雷射選區熔化Hastelloy X
合金組織及持久性能的影響
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李雅莉、何豔麗、付俊、張劍鋒 中國航發商用航空發動機有限責任公司材料工程部
摘要：
研究了A(Si 0.071 wt%)、B(Si 0.365 wt%)兩批次Hastelloy X合金雷射選區熔化試樣顯微組織及持久性能。結果表明：815℃/105MPa持久試驗前，A批試樣碳化物在晶界及晶内均有析出，晶界析出物呈鍊狀分布，碳化物類型為富含Cr元素的M23C6型碳化物，B批試樣碳化物近乎隻在晶界呈較連續析出，碳化物類型為富含Mo元素的M6C型碳化物。持久試驗後，A批試樣析出物無明顯變化，B批試樣晶内産生較多針狀析出相MoSiW。此外，A批試樣持久性能均達到鍛件标準，而B批試樣持久性能塑性較低，平均延伸率為6.4%，低于鍛件标準。Hastelloy X合金析出相的形态、分布及類型等與Si含量密切相關，當Si元素較高時(0.365 wt%)，持久試驗過程中，晶内密集析出針狀硬脆相，晶界碳出物連續化，影響晶界之間的結合力，降低合金的持久性能。
基于GA-BP和PSO-BP神經網絡的
SLM GH3625高溫合金殘餘應力預測研究
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曾權、李鑫、王克魯、魯世強、劉傑、黃文傑、周潼、汪增強 南昌航空大學航空制造工程學院
摘要：
采用PSO-BP和GA-BP混合算法的人工神經網絡模型預測了選區雷射熔化成形GH3625高溫合金的殘餘應力。通過響應面法為實驗設計生成樣本集,以雷射功率、掃描速度和掃描間距作為模型的輸入層,以殘餘應力作為模型的輸出層進行預測優化。采用相關系數R2和平均絕對相對誤差eAARE評價名額對預測模型進行了驗證和對比分析。結果表明:BP、 GA-BP和PSO-BP神經網絡模型均能夠較好地預測不同工藝參數下GH3625高溫合金的殘餘應力,且通過算法優化後的BP神經網絡具有更高的預測精度。其中GA-BP神經網絡對選區雷射熔化成形GH3625高溫合金殘餘應力的預測精度最高,模型性能更優越,其相關系數R2和相對平均絕對誤差eAARE分别為0.909和2.06%。
SLM成形IN718合金高溫
持久各向異性影響因素
何思逸1,2劉翔宇1,2郭雙全3王甯4肖磊5徐轶1,2 1.西南交通大學2. 西南交通大學,材料先進技術教育部重點實驗室3. 成都天翔動力技術研究院有限公司4. 四川海泰普科技有限公司 5. 四川六合特種金屬材料股份有限公司
摘要：
為研究雷射選區熔化(selective laser melting, SLM)成形IN718持久各向異性的影響因素，對其列印态分别進行固溶時效(solution treatment and aging, SA)和直接時效(direct aging, DA)處理，采用X射線衍射、掃描電子顯微鏡及電子背散射衍射對兩種狀态試樣xOy面及yOz物相、顯微組織和織構進行表征，并在690 MPa,650℃下對兩種狀态的橫向/縱向試樣進行持久性能測試，測試後對斷口和截面裂紋進行了表征分析量化研究.研究表明，DA态試樣很大程度保持了列印态的顯微組織，有明顯熔池痕迹.晶粒尺寸幾乎沒有變化.顯微組織中有大量偏析，XRD顯示有衍射強度微弱的MC相的峰.而SA态試樣晶粒尺寸及分布與DA态試樣類似，同時存在大範圍的δ相析出.橫向/縱向試樣的高溫持久性能的差異随着加載時裂紋萌生點數量差異的減小而減小.垂直于應力加載軸向的熔池結構及晶界結構的差異是影響其高溫持久各向異性的關鍵因素.
雷射熔覆CoCrFeNi和AlCoCrFeNi
中熵合金塗層的高溫抗氧化性能
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周琦琛、劉甯、趙沛、張浩宇、張鑫 江蘇科技大學材料科學與工程學院
摘要：
采用雷射熔覆技術在H13鋼表面成功制備了CoCrFeNi和AlCoCrFeNi中熵合金塗層。利用掃描電鏡(SEM)、能譜儀(EDS)和X射線衍射(XRD)對塗層的微觀組織、成分分布和相組成進行分析；在此基礎上，重點研究塗層的高溫穩态氧化和循環氧化性能，分析塗層的氧化機理。結果表明：雷射熔覆CoCrFeNi和AlCoCrFeNi中熵合金塗層與基體之間呈良好的冶金結合，塗層呈現單相FCC結構，其微觀組織以柱狀晶和等軸晶為主。在700、800和900℃高溫氧化60 h後，CoCrFeNi和AlCoCrFeNi塗層的氧化層厚度遠小于H13鋼的氧化層厚度，抗氧化性能顯著優于H13鋼。在600℃經曆6次循環氧化後，AlCoCrFeNi塗層表面幾乎無氧化，CoCrFeNi塗層經曆了5次循環後表面形成了極薄的氧化層；600℃循環氧化時雖然H13鋼表面氧化層較薄，但結構比較疏松易剝落，對合金内部無法起到保護作用。表明CoCrFeNi和AlCoCrFeNi中熵合金塗層具有優異的高溫抗氧化性能。
雷射熔覆Inconel 625合金高溫
高應變率下的力學行為及本構模型
雷經發1,2趙晨霞1劉濤1,2沈朝陽1李思悅1 1.安徽建築大學機械與電氣工程學院2. 工程機械智能制造安徽省教育廳重點實驗室
摘要：
為研究雷射熔覆Inconel 625(IN625)合金在高溫高應變率下的力學行為，制備雷射熔覆IN625合金試樣，擷取了試樣在四種溫度(25 ℃、600 ℃、800 ℃、1000 ℃)和三種應變率(1000 s-1、2000 s-1、3000 s-1)下的壓縮應力-應變曲線，并建構了适用的本構模型。結果表明：雷射熔覆IN625合金在四種溫度和三種應變率下的應力-應變曲線均存在彈性和塑性階段。在各溫度下，材料屈服強度和流動應力均随着應變率的增加而增加，表現出明顯的應變率強化效應。在各加載應變率下，材料的流動應力和屈服強度随溫度的升高而降低，表現出顯著的溫度軟化效應。基于應力-應變資料，以Johnson-Cook(J-C)本構模型為基礎，通過溫度軟化指數和應變率敏感系數拟合，對模型進行修正，模型拟合值與實驗結果吻合較好，可準确地描述材料的力學行為。
航天運載器大型金屬構件
雷射定向能量沉積研究及應用進展
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周慶軍1嚴振宇1張京京1衣鳳2董鵬1謝勇1王福德1郭甯3,4 1.首都航天機械有限公司2. 北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室3. 齊魯工業大學(山東省科學院)機械工程學院4. 山東省機械設計研究院
摘要：
雷射定向能量沉積（LDED）增材制造技術由于成形效率高、材料送進方式靈活、成形自由度高等特點，非常契合目前及未來航天裝備結構大型化、整體化、輕量化、高精度發展趨勢，并已在運載火箭、載人飛船、火箭發動機等領域實作牽引性應用。本課題首先總結了目前鋁合金及其複合材料、钛合金及其複合材料、鎳基高溫合金及其複合材料三類航天裝備結構主體材料的LDED研究現狀，在此基礎上，梳理出了LDED工藝的發展方向及研究進展。此後，重點介紹了航天裝備主承力結構、異質合金一體化結構、內建流道整體化結構三類典型結構LDED制造難點、研制及應用進展。最後，對LDED增材制造技術材料、工藝及裝備等的發展方向進行了展望。
選區雷射熔化成形Inconel 625
合金的高溫熱腐蝕行為
趙斌1王琪霖1任延傑1,2韓林虎1蔣東方3 1.長沙理工大學能源與動力工程學院2. 浙江科技大學機械與能源工程學院3. 國網能源研究院有限公司
摘要：
采用電化學阻抗譜對比研究了雷射選區熔化成形(Selective Laser Melting，SLM)和軋制Inconel 625合金在600℃覆寫50%KCl+50%Na2SO4(品質分數)鹽膜下的電化學腐蝕行為。結果表明：SLM成形Inconel 625合金的腐蝕電化學阻抗譜呈雙容抗特征，腐蝕過程受荷電離子遷移控制，軋制合金由高頻段的容抗弧和低頻段的直線組成，表明腐蝕受擴散控制。SLM成形合金的腐蝕産物層為Cr2O3/Ni3S2多層交替結構，而軋制合金表面腐蝕産物由Cr2O3和NiO的混合物組成，存在着明顯的内硫化現象。由于SLM成形Inconel 625合金較多的位錯及亞晶粒促進了鉻元素的向外擴散與氧發生反應，改變了合金表面的硫分壓，進而影響了合金表面腐蝕産物膜的組成及結構。
雷射熔覆Si增強MoNiCr合金
塗層及其高溫摩擦學性能
尤世泉1,2,3崔功軍1,2,3楊榮乾1,2,3劉宇嵩1,2,3馮小剛1,2,3寇子明1,2,3 1.太原理工大學機械與運載工程學院2. 太原理工大學山西省礦山流體控制工程實驗室3. 太原理工大學礦山流體控制國家地方聯合工程實驗室
摘要：
為改善Mo基塗層作為熱端部件高溫防護塗層的耐磨性能，采用雷射熔覆技術在InconelLtd718合金表面原位制備了MoNiCrSi塗層，并系統研究了Si對Mo合金塗層的微觀組織和高溫摩擦學性能的影響。在室溫～1000℃的大氣環境中，與Si3N4配副應用球-盤式高溫摩擦磨損試驗機對塗層及基底材料的高溫摩擦學性能進行了測試。
結果表明：Si與Mo、Ni、Cr發生反應生成了α-Mo、Mo0.3Ni0.24Si0.76、Mo5Si3和CrSi2相。MoNiCrSi塗層Vickers硬度相比MoNiCr塗層和基底材料顯著升高，Si元素表現出明顯的固溶強化和彌散強化作用。随溫度的升高，塗層的摩擦系數逐漸減小，磨損率呈現出先降低後增加的趨勢。MoNiCrSi塗層相比MoNiCr塗層和基底材料表現出更優異的高溫耐磨損性能，Si明顯改善了塗層的高溫耐磨自潤滑性能。這主要歸因于塗層高的硬度和SiO2、MoO3、Mo4O11、NiLtdMoO4等固體潤滑相以及高溫潤滑層的協同作用。特别是在600℃下，MoLtdNiCrSi合金塗層的磨損率降低至5.57×10-6mm3/(N·m)，比MoNiCr塗層低了一個數量級。不同溫度下，钼合金塗層表現出了不同的磨損機理。
橫向弱磁場對鎳基高溫合金
發散雙晶競争生長行為的影響
謝信亮1周麗萍1餘建波2玄偉東2陳超越2王江2任忠鳴2 1.南京工業大學先進輕質高性能材料研究中心2. 上海大學材料科學與工程學院省部共建高品質特殊鋼國家重點實驗室
摘要：
靜磁場作為外加實體場，可以有效調控材料成形過程，為調控鎳基高溫合金凝固組織和晶體定向生長提供了新的思路。本工作研究了DD483鎳基高溫合金發散雙晶在橫向弱磁場下(0.1和0.7 T)定向競争生長規律群組織形貌演變特征。結果表明：未施加磁場時，發散雙晶中擇優取向晶粒(晶粒A)淘汰非擇優取向晶粒(晶粒B)，且晶粒淘汰速率與抽拉速率無關。磁場能顯著影響發散雙晶的競争生長速率，且受雙晶在磁場下的擺放方式和抽拉速率的影響。當發散雙晶在磁場下按A-to-B方式擺放時，施加磁場抑制了擇優取向晶粒(晶粒A)在晶界處的分枝，減緩了晶粒A的淘汰速率。當發散雙晶按B-to-A方式擺放時，施加磁場進一步促進了晶粒A在晶界處的分枝，加速了晶粒A的淘汰速率。随着抽拉速率的提高，磁場對減緩或加速晶粒的競争淘汰作用逐漸減弱。磁場的施加在枝晶間産生的熱電磁對流效應改變了發散雙晶晶界處的溶質分布，進而影響枝晶在晶界處的側枝生長，是導緻晶粒競争生長行為發生變化的主要原因。随着拉速的增加，磁場作用時間變短，熱電磁對流效應對晶界處分枝作用的影響減弱。
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