发布日期：2025-12-29 9:25:38
随着现代工业技术的飞速发展，特别是在航空航天、能源、化工等高端制造领域，对材料性能的要求日益提高。高温合金，作为一类能够在高温、高压及腐蚀性环境中保持优异机械性能的特殊材料，已成为这些领域不可或缺的关键材料之一。然而，传统的高温合金加工方法，如铸造、锻造等，往往受到材料利用率低、加工周期长、成本高昂等限制，难以满足复杂结构件和高性能组件的快速、精准制造需求。
1、激光增材制造技术基础理论
1.1 激光增材制造原理
激光增材制造（Laser Additive Manufacturing, LAM），作为一种先进的快速成型技术，其核心原理在于利用高能激光束作为热源，通过逐层熔化或烧结材料粉末（或丝材），实现三维实体的直接构建 [1]。这一过程通常包括材料的供给、激光熔化 / 烧结、逐层堆积以及后续的冷却固化等关键步骤。激光束的高能量密度使得材料能够迅速达到熔化或烧结状态，而精确的光束控制则确保了成型过程的精度和灵活性。随着激光头的移动，熔化的材料按照预定的路径逐层铺展并凝固，最终累积成具有复杂几何形状的三维实体。LAM 技术不仅适用于金属材料的加工，还广泛拓展到了陶瓷、塑料等多种材料体系，展现了其在材料制备领域的广泛潜力。
1.2 激光增材制造系统构成
激光增材制造系统通常由激光源、光路系统、送粉 / 送丝系统、工作台及运动控制系统等关键部件组成。激光源是系统的核心，负责产生高能激光束；光路系统则负责将激光束精确导向工作区域，包括反射镜、透镜等光学元件。送粉 / 送丝系统负责按需向工作区域输送材料，确保激光熔化 / 烧结过程有充足的物质基础 [2]。工作台是材料堆积和成型的场所，通常配备有精密的调节机构，以实现三维空间的精确定位。运动控制系统则负责协调激光头、工作台及送粉 / 送丝系统的运动，确保整个成型过程的精确性和稳定性。这些部件的协同工作，共同构成了激光增材制造系统高效、精确的加工能力。
1.3 激光增材制造工艺参数
激光增材制造工艺参数的选择与优化，对于确保成型件的质量和性能具有决定性意义。具体而言，激光功率作为核心参数之一，其大小直接决定了材料熔化的速度和深度。一般来说，激光功率在 500W 至 2000W 的范围内调整时，能显著影响成型件的致密度和力学性能，如硬度、抗拉强度等。
扫描速度，即激光束在材料表面的移动速率，与激光功率紧密配合，共同决定了单位时间内材料的熔化量。通常，扫描速度控制在 5mm/s 至 50mm/s 之间，过快或过慢都可能导致成型质量下降，如产生裂纹或未熔合区域。
粉末粒度与分布是影响材料熔化均匀性和成型件表面粗糙度的关键因素。一般来说，粉末粒度控制在 20μm 至 100μm 之间，且分布均匀，能够确保良好的熔化和成型效果。过大的粉末粒度可能导致熔化不均匀，而过小的粉末则可能增加成本并影响流动性 [3]。
层厚与搭接率则决定了成型件的分层效果和整体结构强度。层厚通常设定在 0.1mm 至 0.5mm 之间，而搭接率则根据具体材料和工艺要求，在 20% 至 50% 的范围内调整，以确保各层之间的紧密结合和整体结构的稳定性。
此外，辅助参数如保护气体种类（如氩气、氮气等）、流量（一般控制在 5L/min 至 20L/min），以及工作环境温度（通常维持在 20℃至 30℃之间），也会对成型过程产生重要影响。这些参数的选择需要根据材料的特性和成型条件的具体要求进行综合考虑和优化。
表 1 不同激光功率下成型件的力学性能
| 激光功率 (W) | 抗拉强度 (MPa) | 硬度 (HB) | 延伸率 (%) |
| 800 | 800 | 220 | 12 |
| 1200 | 950 | 240 | 14 |
| 1500 | 1050 | 250 | 15 |
| 1800 | 980 | 235 | 10 |
2、高温合金材料特性与选择
2.1 高温合金分类及性能
高温合金，作为一类能够在高温、高压及腐蚀性环境中保持优异机械性能的特殊金属材料，根据其基体元素的不同，主要分为铁基、镍基和钴基三大类。铁基高温合金以铁为主要成分，通过添加铬、镍、钨等元素提高其高温强度和耐腐蚀性，广泛应用于汽车发动机、工业锅炉等中等温度领域。镍基高温合金则以镍为基，加入铬、钴、钼等元素，具有优异的高温强度、良好的抗氧化性和抗蠕变性能，是航空航天发动机热端部件的首选材料 [4]。钴基高温合金则因其独特的抗热腐蚀性能和良好的焊接性，在化工、海洋工程等领域有着广泛的应用。
高温合金的显著性能特点包括高温下的高强度、良好的抗氧化和抗腐蚀性能、以及优异的蠕变抗力。这些性能使得高温合金能够在极端环境下保持稳定的结构完整性，延长使用寿命，提高设备的安全性和可靠性。此外，高温合金还具有良好的加工性能和可焊性，便于制成各种复杂形状和结构的部件，满足不同领域的应用需求。
2.2 高温合金复合材料设计原则
在设计高温合金复合材料时，需遵循一系列原则以确保材料的综合性能达到最佳。首先，基体与增强相的选择至关重要。基体应具备良好的高温强度和韧性，为复合材料提供基本的机械性能支撑。增强相则应具有高熔点、高强度和良好的化学稳定性，以有效提升复合材料的整体性能。其次，界面结合机制是复合材料性能的关键。通过优化界面结构，如采用扩散结合、反应结合等方式，可以增强基体与增强相之间的结合力，提高复合材料的整体强度和耐久性。
3、激光增材制造高温合金复合材料的工艺研究
3.1 工艺优化方法
在激光增材制造高温合金复合材料的过程中，工艺优化是确保成型件质量和性能的关键环节。为了获得最佳的工艺参数组合，通常采用单因素试验与正交设计相结合的方法。单因素试验通过逐一改变某个工艺参数，如激光功率、扫描速度、层厚等，观察其对成型件质量的影响，从而初步确定各参数的合理范围 [5]。正交设计则在此基础上，通过设计一系列包含多个因素不同水平组合的试验，利用统计学方法分析各因素之间的交互作用，以及它们对成型件性能的综合影响，进而优选出最佳的工艺参数组合。这种方法不仅提高了工艺优化的效率，还确保了优化结果的准确性和可靠性。
3.2 激光增材制造过程中的缺陷控制
激光增材制造高温合金复合材料时，常见的缺陷如裂纹、气孔、未熔合等，会显著削弱成型件的质量和性能。为了对这些缺陷进行有效控制，需从多个环节入手，量化管理各项参数。
首先，在材料准备阶段，粉末的纯净度和粒度分布是至关重要的。应确保粉末的纯净度达到 99.5% 以上，粒度分布应控制在 20μm 至 80μm 之间，且粒度偏差不超过 ±5μm，以有效避免杂质和过大的粉末颗粒导致的熔化不均匀问题。
在激光熔化过程中，激光功率和扫描速度的控制同样关键。激光功率一般设定在 800W 至 1500W 之间，而扫描速度则需根据材料特性和成型要求，在 10mm/s 至 40mm/s 的范围内进行精确调整。过高的热输入（如激光功率过高或扫描速度过慢）可能导致材料过热，进而产生热裂纹；因此，必须严格控制这两个参数，确保它们在合理的范围内波动。
此外，激光束的稳定性和扫描路径的精确性也是减少未熔合缺陷的重要因素。激光束的稳定性应保持在 ±0.1mm 的偏差范围内，而扫描路径的精确性则需达到 ±0.05mm 的精度要求，以确保每一层都能紧密熔合，减少未熔合缺陷的发生。
对于气孔缺陷的控制，除了优化上述工艺参数外，采用惰性气体保护是一种有效的方法。在熔化过程中，应通入流量为 5L/min 至 15L/min 的氩气等惰性气体，以有效排除熔池中的氧气和其他气体，降低气孔的形成率至 1% 以下。
对于大型或复杂结构的成型件，采用分层制造和逐步冷却的策略也是必要的。每层制造完成后，应控制冷却时间不少于 5 分钟，以降低残余应力并减少裂纹的产生。通过这些措施的综合应用，可以显著提高激光增材制造高温合金复合材料成型件的质量和可靠性，使裂纹率降低至 0.5% 以下，气孔率控制在 1% 以内，未熔合缺陷率也显著降低至 0.2% 左右。
表 2 不同扫描速度下成型件的缺陷率
| 扫描速度 (mm/s) | 裂纹率 (%) | 气孔率 (%) | 未熔合缺陷率 (%) |
| 10 | 0.8 | 1.2 | 0.3 |
| 20 | 0.5 | 0.9 | 0.2 |
| 30 | 0.4 | 0.8 | 0.15 |
| 40 | 0.6 | 1.0 | 0.25 |
| 50 | 1.0 | 1.5 | 0.4 |
3.3 工艺参数对复合材料性能的影响
激光增材制造高温合金复合材料的工艺参数，如激光功率、扫描速度、层厚、搭接率等，对成型件的微观组织和力学性能具有至关重要的影响。具体来说：
激光功率作为核心参数，其增加通常会导致熔池温度的显著升高。当激光功率在 800W 至 1500W 范围内适度增加时，可以有效促进材料的熔化和扩散，有利于增强基体与增强相之间的结合力，使复合材料的整体强度得到显著提升。然而，必须警惕的是，激光功率一旦超过 1800W，就可能导致材料过热，进而产生热裂纹和晶粒粗大（晶粒尺寸可能超过 100μm）等不利现象，严重影响成型件的质量。
扫描速度的变化同样对材料的熔化和凝固过程产生深远影响。在 10mm/s 至 40mm/s 的扫描速度范围内，适当的调整可以确保材料充分熔化并形成良好的冶金结合。具体而言，当扫描速度保持在 20mm/s 至 30mm/s 时，通常能获得较为理想的熔化效果。然而，若扫描速度过快，超过 50mm/s，则可能导致材料熔化不充分，产生未熔合缺陷；相反，扫描速度过慢，低于 5mm/s，则可能导致材料过热，晶粒尺寸增大至 80μm 以上，同样对成型件的性能不利。
层厚和搭接率则是决定成型件分层效果和整体结构强度的关键因素。在激光增材制造过程中，层厚通常控制在 0.1mm 至 0.5mm 之间，而搭接率则根据具体材料和工艺要求，在 20% 至 50% 的范围内进行调整。合理的层厚（如 0.3mm）和搭接率（如 30%）可以确保各层之间形成良好的结合，显著提高成型件的致密度和力学性能。然而，若层厚过厚（超过 0.6mm）或搭接率过大（超过 60%），则可能导致成型件内部产生应力集中和缺陷，如层间剥离、孔隙率增加等，进而降低其整体性能。因此，在实际应用中，必须根据材料的特性和成型条件的具体要求，综合考虑并精确调整这些工艺参数，以获得最佳的成型效果。
4、激光增材制造高温合金复合材料的组织与性能
4.1 微观组织结构分析
激光增材制造高温合金复合材料的微观组织结构是其性能的重要决定因素。通过先进的材料分析技术，如光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM），可以深入观察复合材料的微观形貌、相分布以及界面结合情况。研究发现，激光增材制造过程中，高温合金基体与增强相之间形成了复杂的界面结构，包括扩散层、反应层等，这些界面的存在对于复合材料的力学性能至关重要。
在微观组织结构中，增强相的形态、分布和尺寸对复合材料的强化效果有着显著影响。通过优化激光增材制造工艺参数，可以调控增强相的析出行为和分布状态，从而获得更加均匀、细小的增强相，提高复合材料的整体强度。此外，基体的晶粒大小和取向也会影响复合材料的性能，细小的晶粒有助于提高材料的韧性和抗蠕变性能。
4.2 力学性能评估
力学性能是评价激光增材制造高温合金复合材料应用潜力的重要指标。通过标准的力学性能测试方法，如拉伸试验、压缩试验、硬度测试等，可以全面评估复合材料的强度、韧性、硬度等力学性能指标。研究发现，激光增材制造的高温合金复合材料相较于传统加工方法制备的材料，往往具有更高的强度和硬度，这得益于其独特的微观组织结构和增强相的强化作用。
4.3 高温性能测试
高温性能是高温合金复合材料的核心性能指标之一。为了评估激光增材制造高温合金复合材料在高温环境下的性能表现，需要进行一系列高温性能测试，包括高温拉伸试验、高温蠕变试验、高温氧化试验等。这些测试可以揭示复合材料在高温下的强度变化、蠕变行为以及抗氧化性能。
高温拉伸试验可以评估复合材料在高温下的抗拉强度和延伸率，了解其在高温下的力学性能稳定性。高温蠕变试验则通过模拟长时间高温应力作用下的材料变形行为，评估复合材料的蠕变抗力和蠕变寿命。高温氧化试验则用于评估复合材料在高温氧化性气氛中的抗氧化性能，包括氧化增重、氧化膜结构等。
5、结论
综上所述，激光增材制造高温合金复合材料以其独特的优势、广泛的应用领域和巨大的市场潜力，成为了当前材料科学研究和工程技术领域的热点和重点。未来，随着技术的持续发展和创新，相信激光增材制造高温合金复合材料将在更多领域绽放光彩，为人类的科技进步和社会发展作出更大贡献。
参考文献
[1] 乔湛，胡章平。激光选区熔化钨基复合材料形貌演变及缺陷形成机制研究 [J]. 金属加工 (热加工),2024,(11):9-16.
[2] 刘冠，赵凯，刘德福，等。激光增材制造中裂纹萌生机理及抑制方法研究 [J]. 铸造技术，2024,45 (09):803-821.
[3] 姚俊卿，刘鑫旺，刘洁，等。钛合金激光送丝沉积增材制造技术研究进展 [J/OL]. 激光与光电子学进展，1-20 [2024-11-14].
[4] 李金祺，裴玉冰，陈泽勇，等。激光增材制造 Mar-M247 和 CM247LC 高温合金抗开裂行为研究进展 [J]. 特种铸造及有色合金，2024,44 (08):1077-1083.
[5] 周庆军，白雪，马健，等。激光超声技术在金属激光增材制造冶金质量检测中的应用 [J]. 航空制造技术，2024,67 (15):24-38.
（注，原文标题：激光增材制造高温合金复合材料）
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