研究人员通过一种新颖的成分-工艺相结合的策略，系统地解决了增材制造（AM）沉淀强化镍基高温合金中裂纹敏感性与高温性能难以平衡的长期挑战。所设计的IN738LC-5Co合金通过双重机制展现了优越的性能：固溶强化和γ′析出行为调控。通过钴（Co）诱导的相稳定机制优化凝固行为，该方法有效降低了增材制造过程中的凝固开裂指数（SCI）和固态开裂指数（SSC）。Co的添加显著改变了非平衡凝固过程中的溶质再分配，从而增强了凝固终期的化学均匀性。此外，Co通过降低γ/γ′共晶相的体积分数和细化γ′析出相来调节相变行为，这有效缓解了相变引起的内应力。随后的热等静压（HIP）进一步愈合潜在的微裂纹，并减少高温变形过程中析出物形成所产生的相变应力，最终在900°C下实现了24%延伸率和566 MPa抗拉强度的优良平衡。本研究阐了结合合金设计和后处理方法来增材制造不可焊镍基高温合金的途径，为未来的快速制造行业提供了见解。
论文解读：
研究背景及意义
镍基高温合金（Ni-based superalloys）因其优异的高温强度和抗蠕变性能，被广泛应用于航空航天领域的关键热端部件，如涡轮叶片和燃烧室。增材制造（AM，俗称3D打印）为制造高温合金提供了变革性的方法，能够实现复杂几何形状的生产，具有材料利用率高和近净成形的能力，这是传统制造路线难以实现的。然而，由于工艺固有的局部高能量输入和反复热循环，诱导了复杂的热历史并促进了裂纹和孔隙等缺陷的形成，使得AM在镍基高温合金中的应用仍然具有挑战性。特别是对于沉淀强化高温合金，高浓度的Ti和Al促进了高体积分数的L1₂有序Ni₃(Al, Ti) γ′析出相的形成，这些合金通常表现出较差的焊接性和在AM过程中高的裂纹敏感性。AM高温合金中的裂纹可分为热裂纹（发生在凝固末期存在液膜时，或低熔点相在大拉应力下熔化时的反复热循环中）和固态裂纹（表现为γ′沉淀过程中的快速硬化或高温塑性谷内的固有塑性降低），这严重限制了合金在高温条件下的使用性能。
此前，人们通过工艺参数优化、成分设计和后处理等手段来尝试减轻裂纹。工艺参数优化（如调整激光功率、扫描速度和扫描策略）对缺陷抑制有积极作用，但仅基于工艺的修改裂纹抑制效果有限，且常引入工艺不稳定性和跨材料系统适应性不足的挑战。系统地对专为AM设计的合金成分进行重新设计，对于同时抑制裂纹和实现最佳性能至关重要。以往的合金成分设计策略包括减少晶界强化元素（如Si、B、Hf、Zr）以降低热裂纹敏感性，但这往往损害晶界强度和抗蠕变性能；或调整γ′形成元素（如Al、Ti、Ta）含量，但这直接牺牲了γ′析出相的体积分数及其强化效果，导致高温强度下降。固溶强化元素（如Re、W、Mo、Cr和Co）的引入可以在不影响凝固行为的情况下增强高温性能。其中，Co作为关键的固溶元素，不仅有助于稳定γ基体，还能调节γ′相的沉淀动力学，但对Co抑制裂纹的潜在机制探索仍不充分。此外，即使通过参数优化和成分设计抑制了沉积过程中的裂纹，高Al/Ti含量的沉淀强化合金往往仍无法实现满意的高温性能，因此需要额外的后处理（如热等静压 HIP）来全面提升使用性能。
基于此，研究人员以IN738LC合金为模型体系，通过一种结合Co成分设计与HIP后处理的创新策略，实现了同时抑制裂纹和增强力学性能。该论文发表在《Materials Science and Engineering: A》。
主要关键技术方法
研究人员选用IN738LC合金粉末（采用惰性气体雾化技术制造），基于此设计了四种具有可控Co含量梯度（分别添加0 wt.%、2.5 wt.%、5 wt.%和7.5 wt.% Co）的合金成分。研究采用了实验与计算相结合的方法，包括合金的增材制造成形、微观结构表征（观察裂纹特征及相分布）、热力学计算（凝固开裂指数 SCI 和固态开裂指数 SSC）以及热等静压（HIP）后处理，并对处理后的样品进行了高温（900°C）拉伸性能测试。
研究结果
The cracking characteristics in the IN738LC alloy system（IN738LC合金体系中的裂纹特征）
研究人员对沉积态（as-built）IN738LC合金沿X-Z平面进行了微观组织观察。微裂纹在形成和扩展过程中表现出明显的形态特征的差异。热裂纹（hot cracks）的一个标志性特征是其在枝晶间的扩展路径。微观图中，亮衬度区域对应于裂纹（DC，Dendritic Crack），暗衬度区域为基体组织。
Mechanisms of hot cracking suppression（热裂纹抑制机制）
热裂纹敏感性与凝固末期枝晶间液膜的稳定性及其在工艺诱导热应力下的力学响应密切相关。液膜源于两种主要机制：一是非平衡凝固条件下的溶质再分配，产生低熔点液相从而促进凝固开裂；二是预先存在的低熔点组分的部分重熔。研究人员指出，添加的Co显著改变了非平衡凝固过程中的溶质再分配，增强了凝固终期的化学均匀性，进而抑制了热裂纹的萌生与扩展。
Conclusions（结论）
研究人员系统地开发了一种创新的集成策略——结合Co改性的成分设计与HIP后处理，成功实现了高温下高强度与低裂纹敏感性的共存。主要研究内容如下：
- 1.
与原始IN738LC合金中观察到的各种热和固态裂纹不同，IN738LC-5Co变体中未检测到裂纹，证明了显微裂纹的根本改善。
- 2.
Co有助于固溶强化和相稳定，从而抑制裂纹萌生。通过SCI和SSC指数的热力学计算，为选择最佳的Co添加策略提供了理论指导。
- 3.
通过系统改变Co含量，增强了AM IN738LC合金的可制造性和高温性能，同时保持了其固有的微观结构稳定性。
- 4.
结合HIP工艺优化，实现了孔隙消除和微观结构均质化的协同效应，使合金在900°C高温下保持优异的机械稳定性（24%延伸率，566 MPa抗拉强度）。
该集成方法为增材制造镍基高温合金的成分设计和裂纹抑制策略提供了宝贵的见解。
讨论总结
该研究针对沉淀强化镍基高温合金（以IN738LC为代表）在增材制造中普遍存在的裂纹敏感性高与传统成分/工艺优化难以兼顾力学性能的痛点，提出了Co元素梯度合金设计与HIP后处理相结合的协同策略。研究明确了Co在调控非平衡凝固溶质再分配、稳定γ基体、降低γ/γ′共晶相体积分数及细化γ′相方面的多重作用，从热力学（SCI和SSC指数）和微观组织演变角度揭示了裂纹抑制机理。研究表明，添加5 wt.% Co即可实现无宏观裂纹的成形，配合后续HIP处理可进一步愈合微缺陷并释放相变应力，最终获得具有优异高温强塑性匹配的合金材料。这一“成分设计-增材制造-后处理”一体化思路，为不可焊（non-weldable）镍基高温合金的增材制造应用及快速制造产业的发展提供了重要的理论依据和技术参考。
