研究背景

金属3D打印技术（又称金属增材制造）相较于传统减材工艺，在复杂构件一体化成型、轻量化设计和材料利用率方面展现出显著优势。然而该技术目前仅能稳定应用于316L、IN718等有限种类的商用合金，其大规模推广面临的核心障碍在于难以实现无缺陷制造。究其根源，激光增材制造过程中剧烈的温度梯度与急剧冷却条件对材料适应性提出极高要求，即便是Hastelloy X、Haynes 230这类焊接性能优异的合金，仍会出现严重的热致开裂现象。

这类缺陷主要表现为凝固末期形成的热裂纹（亦称凝固裂纹），其产生机制与元素偏析密切相关。具体而言，溶质元素的不均匀分布会扩大合金凝固区间，促使枝晶间形成连续性液膜。此类液膜在材料冷却收缩时与热应力产生协同作用，造成局部应力集中，最终引发裂纹扩展。该机理揭示了控制元素偏析对抑制热裂纹的关键作用。

研究思路及成果

在合金增材制造领域，如何消除热裂纹并提升材料性能始终是研究重点。传统方法聚焦于减少液膜形成和缩小凝固区间，但天津大学团队另辟蹊径，通过偏析工程在凝固末期将均匀的枝晶间液膜引入，实现液体回填以释放应力、缓解应力集中，从而抑制裂纹。这一通过调控偏析元素实现晶界强化的新策略，为高性能无裂纹合金的增材制造提供了全新思路。

相关成果以“New alloy design approach to inhibiting hot cracking in laser additive manufactured nickel-based superalloys”为题发表于金属材料领域顶级期刊《Acta Materialia》，为航空航天高温镍合金制造领域的高性能材料开发提供了新范式。

研究方法及结果

以Ni基高温合金为例，研究发现向Haynes 230合金添加1 wt% Zr后，激光增材制造过程中形成了连续的Ni11Zr9金属间化合物网状结构，该结构不仅完全消除了裂纹，还作为"骨架"使屈服强度显著提升。更为重要的是，经过适当热处理后，Zr改性合金的强塑性组合远超未改性材料，其断裂表面呈现高密度韧窝，表现出优异的韧性。

LPBF制造的Haynes 230样品的代表性OM和SEM图像含有（a, e） 0 wt.%, (b, f) 0.5 wt.%, (c, g) 1 wt.%, (d, h) 1.5 wt.% Zr。

Zr改性后的Haynes 230合金的开裂得到了有效的抑制。同样，在zr修饰的Haynes 230样品的高倍扫描电镜图像中也不存在微裂纹。EBSD图显示了晶粒沿构建方向的外延生长特征，其中裂纹沿原始样品的柱状晶界扩展，如箭头所示。Zr改性后Haynes 230中的裂纹被完全抑制，但显微组织仍由柱状晶粒组成。在镍基高温合金中，Zr可以促进柱状晶向等轴晶转变，最终增强铝合金的抗热裂性。

LPBF制造的原始（0 wt.% Zr）和Zr修饰的Haynes 230 （1 wt.% Zr）样品沿建筑方向（BD）的OM图像。(b)断口表面的细胞特征证实了原始试样的热裂。原Haynes 230试样的显微组织特征：(c) EBSD逆极图（IPF）图，沿BD，显示裂纹沿柱状晶界扩展，如箭头所示；(d)修饰细胞边界的纳米颗粒；(g)固化细胞的TEM亮场图像；(h) (g)中Ni2W4C颗粒的SAED图。zr修饰Haynes 230试样的显微组织特征：(e)点缀胞界的连续网状沉淀；(f)沿BD的生态系统规划图则；(i)固化细胞的TEM亮场图像；(j) (i)所示的金属间Ni11Zr9相的SAED图。

可以看出，裂纹密度随晶胞和晶界处Ni11Zr9含量的增加而减小（图3），由此可以推断，晶胞和晶界处液体体积分数随Zr含量的增加而增大。当Zr含量增加到0.5 wt.%时，虽然与原始样品（0 wt.% Zr）相比，析出相的比例有所增加（图3e），但析出相仍主要以片层形态分布在晶界处（图3f）。特别是晶界处的孤立析出相对应于凝固过程中的局部液膜，形成了一个剪切强度较低的区域，在热应力作用下具有较高的开裂倾向。

TEM图像显示，晶内碳化物位于晶胞边界，插入的SAED图案表明，晶胞边界处的碳化物均为Ni2W4C （M6C）。由于LPBF过程中的超快冷却速率，扩散不充分的W原子在γ基体中分离形成过饱和固溶体。

经Zr改性后的样品具有超高的屈服强度（812±10 MPa），伸长率达到24±1%。伸长率的增加间接表明热裂在试样中得到了有效抑制。

研究结论

用Zr原子的偏析和丰富的晶胞边界，通过引入稳定的液体回填和网络化的金属间相Ni11Zr9来缓解应力/应变集中和协调晶粒变形，制备了一种无裂纹Haynes 230合金。晶胞间Ni11Zr9相数量的增加有助于降低裂纹密度，当Zr含量达到1 wt.%时，热裂纹被完全抑制。此外，观察到金属间相Ni11Zr9的连续网络作为“骨架”，显著提高了打印样品的屈服强度50%以上。为激光增材制造具有优异力学性能的无裂纹合金提供了一条新的合金设计路线。

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