来自南京航空航天大学的研究团队在Acta Materialia期刊上发表A new cracking criterion for additive manufacturing and repair of Ni-based superalloys via laser directed energy deposition。
镍基高温合金凭借多元合金元素的协同强化作用，兼具优异的常温与高温性能，是制造航空发动机、工业燃气轮机等部件的关键材料；激光定向能量沉积（L-DED）技术既能实现构件近净成形制造，又可完成零部件损伤修复与再制造，是制备复杂镍基高温合金构件的核心工艺。但该类合金在 L-DED 强非平衡凝固条件下极易产生裂纹，而单纯的工艺参数优化无法从根本上解决该问题。研究普遍认为， L-DED 过程中镍基高温合金主要存在凝固裂纹、液化裂纹、固态裂纹三类开裂形式，而传统的裂纹评价指标存在诸多局限：这类指标大多依托 Scheil 模型计算，在凝固末期会出现数值发散，需人为设定固相分数截断值，造成不同研究结果偏差较大；同时其计算高度依赖商用热力学软件，难以解析溶质分配、元素偏析等核心内在机理，且 L-DED 非平衡凝固环境下镍基高温合金溶质分配系数的精准测定方法也长期缺失，严重制约了裂纹机理研究与抗裂纹合金设计。针对以上问题，本研究以 In738 和 In939 两种镍基高温合金为实验对象，结合微观表征测算溶质分配系数，通过理论推导建立收敛性良好的新型裂纹评价标准，并结合固态裂纹相关影响因子构建综合裂纹敏感性图谱，形成了一套不依赖商用热力学软件的 L-DED 裂纹评价体系。
Laser & Electron Beam Processing
本文聚焦镍基高温合金激光定向能量沉积领域，针对现有裂纹评价准则存在的短板开展研究。实验以成分相近但裂纹敏感性差异明显的 In738、In939 镍基高温合金粉末为原料，选用铸态 In738 作为基体，完成 L-DED 工艺参数优化并开展沉积试验；综合利用光学显微镜、FE-EM、EBSD、电子探针微分析、TEM等表征手段，系统观测试样宏观形貌、裂纹形态、微观组织、晶界特征与元素分布，依托 MATLAB 程序结合电子探针数据，建立了 L-DED 非平衡凝固环境下溶质分配系数的精准测算方法，同时对 In939 试样进行准静态力学测试，并引入 GH4099 合金用于理论模型验证。实验结果显示，In738 裂纹密度远高于 In939，存在凝固、液化、固态裂纹共存的混合开裂模式，合金元素枝晶间偏析现象突出；两种合金同种元素的溶质分配系数基本一致，且与平衡凝固状态参数差异明显；In738的γ' 相含量、相变应力及局部应变均更高，进一步加剧开裂风险。研究通过理论推导建立了可稳定收敛的新型凝固裂纹标准，结合应力与组织强化差异构建固态裂纹指标 ICS，并依托两项指标绘制出 L-DED 合金开裂敏感性图谱。该研究证实，溶质分配造成的元素偏析是裂纹形成的根本原因，晶界取向仅能判断裂纹扩展位置，无法评价不同合金整体开裂倾向；新建立的评价体系解决了传统标准的固有问题，且无需借助商用热力学软件，可为镍基高温合金的材料筛选、抗开裂成分设计及 L-DED 增材制造与修复工作提供理论依据。
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图1对比In738、In939 两种合金各元素的偏析强度，以及本文实测L-DED 非平衡凝固溶质分配系数与传统平衡凝固参数的差异；计算并绘制两种合金液相溶质浓度、固相线温度随固相分数fs的变化曲线，直观呈现凝固后期（>0.8）溶质急剧富集、固相线温度持续下降的规律，同时点明传统 Kou 开裂准则在凝固末期会出现数值发散的固有缺陷。
图1 基于 L-DED 特征溶质分配系数计算得到的 In738、In939 溶质浓度演化与凝固路径：（a）元素偏析强度对比，K-1>0为正偏析（枝晶间偏析），数值越大偏析越强；（b）实测分配系数与文献平衡态数据对比，黄色星号为本研究结果；（c）In738液相溶质浓度随固相分数fs的变化规律；（d）In939 液相溶质浓度随fs的变化规律；（e）不同类别合金元素的浓度演化趋势对比；（f）固相线温度随固相分数fs的变化曲线。
图2是L-DED 镍基高温合金枝晶间固态开裂机理示意图，解析固态裂纹的应力来源、力学不均与应变集中的形成机制。可以看出，裂纹产生的两大驱动力是增材过程中的热应力与γ'析出引发的相变应力；同时溶质偏析造成枝晶心部与枝晶间存在固溶强化、析出强化双重强度差，并引发发应变屏蔽与局部应力集中，最终诱发晶间固态裂纹，这也是固态裂纹敏感性指标（ICS）的评价原理。
图2 L-DED 镍基高温合金枝晶间固态开裂机理示意图：（a）驱动应力：热应力与相变应力；（b）枝晶心部与枝晶间因固溶强化、γ'析出强化产生的强度差；（c）枝晶间界面处的应变集中现象；（d）枝晶间固态开裂敏感性（ICS）评价准则原理。
图3以Ti 元素为典型，完整展示L-DED 非平衡凝固条件下溶质分配系数k的精准测定流程：依托电子探针（EPMA）面扫描大数据，结合溶质回归算法剔除碳化物等第二相干扰，通过最小二乘拟合得到最优分配系数。可以看出，In738 合金中Ti元素溶质分配系数k=0.365，证实Ti属于典型的枝晶间偏析元素，而k是 Scheil 偏析模型、凝固路径计算、两大裂纹指标（SE、ICS）推导的基础输入参数。传统研究直接沿用平衡凝固k值，误差大，本研究独创的k值测定方法，是后续所有理论计算具备可靠性的前提。
图3 基于L-DED In738微观组织电子探针（EPMA）面扫描数据，结合 Scheil 非平衡凝固偏析模型测定Ti元素溶质分配系数：（a）裂纹附近背散射形貌图；（b） Ti元素EPMA面扫描分布；（c）基于扫描数据的表观固相分数与成分拟合曲线；（d）Ti元素溶质分配系数计算结果。
图4展示了通过二维双晶枝晶模型、矩阵空间仿射变换，推导新型凝固裂纹指标，证明凝固热力学路径与枝晶几何形貌的耦合关系。
图4 基于双晶模型推导 L-DED 凝固裂纹指标的数学分析示意图：（a）双晶生长过程固 - 液相演变模型，2为一次枝晶臂间距，为凝固枝晶半径，是固液界面高度；（b）凝固路径与枝晶生长几何空间的仿射变换关系；（c）基于枝晶间局部液相面积的凝固开裂定量指标示意图；（d）在区间内，计算得到 In738、In939、GH4099 三种合金的局部液相面积Se。
图5以凝固裂纹指标为横轴，固态开裂指标 ICS 为纵轴，构建二维评价坐标系，统计多款商用镍基高温合金的开裂特征，划分低、中、高三级开裂风险区域，形成完整的L-DED 裂纹敏感性预测图谱；In738、In939、GH4099 的点位与实验结果高度吻合，验证了整套评价体系的有效性。该图谱将机理研究、理论模型转化为可视化、可直接使用的工程工具，体现了研究的应用价值。
图5 （a）多种商用镍基高温合金在Se-ICS坐标系中的分布；（b）基于（a）数据构建的裂纹敏感性图谱。
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本研究以 In738、In939 镍基高温合金为研究对象，结合微观表征、定量测试与理论推导，系统研究了激光定向能量沉积（L-DED）工艺下合金的开裂机理，并构建了全新裂纹评价体系。研究证实，该类合金在 L-DED 过程中会出现凝固、液化、固态裂纹共存的混合开裂模式，合金成分与溶质分配行为是决定裂纹敏感性的核心因素；凝固后期元素偏析形成的枝晶间低熔点液膜会诱发凝固与液化裂纹，热应力、γ' 相变应力叠加及枝晶区域力学性能差异则会产生固态裂纹，而晶界特征仅能判断裂纹扩展路径，不能用于评价不同合金的整体开裂倾向。本文建立了基于电子探针技术的溶质分配系数精准测试方法，发现 L-DED 非平衡凝固的溶质分配规律与传统平衡凝固存在明显区别。研究通过理论推导提出积分型凝固裂纹指标，解决了传统评价准则在凝固末期数值发散的缺陷，可同时评估凝固与液化裂纹风险；结合力学机制构建的固态开裂指标 ICS，进一步完善了评价体系。依托两项指标绘制的裂纹敏感性图谱无需商用热力学软件即可计算，预测结果与实验一致，能够为 L-DED 工艺的合金选材、抗裂纹成分设计及工艺优化提供理论指导。
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原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122400
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