发布日期：2026-4-23 9:01:57
1、序言
随着航空发动机向高推重比、高进口温度方向不断发展，涡轮叶片等核心部件的服役工况日益苛刻，需长期承受高温燃气冲刷、离心载荷、热应力及振动载荷的耦合作用[1，2]。镍基高温合金因其在高达90%熔点温度下仍能保持优异的力学性能和耐高温氧化能力，被广泛应用于现代燃气轮机发动机的涡轮盘和叶片制造中，成为不可替代的关键材料[3，4]。然而，其在极端苛刻的服役环境中，易出现疲劳裂纹、蠕变损伤、叶尖磨损及热腐蚀等问题，限制了材料的综合力学性能与制造精度的提高[5，6]。因此，如何进一步提升合金的服役性能已成为工程领域的重点研究方向。
镍基高温合金的强化机制主要依赖于y'相[Ni(Al，Ti)]的共格析出，通过阻碍位错运动实现高温强化，其强化效果与y'相的尺寸、形态、体积分数及分布密切相关。目前，涡轮叶片的制造主要采用精密熔模铸造、锻造及粉末冶金等传统工艺。其中，激光制造技术凭借其高能量密度、高致密性、可控性强及对复杂形状叶片的高适应性，在涡轮叶片损伤修复中展现出显著优势[7]。多国已将激光制造列为多个领域的核心技术，我国在“十四五”重点规划中也将其纳入专项发展计划[8]。尽管激光制造技术在镍基高温合金修复中取得了一定进展，但仍面临诸多技术挑战，激光加工过程中的高能量密度与快速冷凝特性易导致残余应力集中和析出相生成，进而引发孔洞、裂纹等缺陷，限制修复后叶片的服役安全[9，10];镍基高温合金中位错、析出相与孪晶之间的交互作用机制尚不明确，制约了其组织与性能的精确调控，进而限制了该类材料在高可靠性工程场景中的广泛应用[11]。
本文系统综述了镍基高温合金激光制造技术的研究进展，包括其显微组织、力学性能与数值模拟研究3个维度，其中，重点介绍了能场辅助激光制造的技术思路。最后，对镍基高温合金激光制造技术的未来研究前景进行了展望。
2、镍基高温合金制造技术现状
2.1传统制造方法
在镍基高温合金的研究中，学者们已对铸造、锻造及粉末冶金等传统工艺进行了研究[12]。
秦卓斌等 [13]研究了一种镍基铸造高温合金4716CC2的高温拉伸行为，表征了合金热处理后的显微组织，分析了合金在不同温度下拉伸后组织演化规律和拉伸变形机理。WANG等[14]研究了铸造和锻造IN-783合金在不同温度和应变速率下的本构行为和热加工图谱。锻造的IN-783合金在1100℃以上表现出更强的流动不稳定性抵抗力，同时峰值功率耗散效率(40%~45%)也高于铸造状态(35%~38%)。王洪瑛等[15]研究了合金的高温疲劳行为，分析了疲劳断裂机制和夹杂物对疲劳寿命的影响。结果表明，在高温循环应力作用下，腹板、榫槽和盘心试样的平均疲劳寿命分别为280413周次、226706周次、177406周次，疲劳寿命变异系数分别为0.47、0.57、0.51，高温疲劳断裂机制包括滑移诱发的类解理断裂和氧化铝夹杂物起始断裂。
对于叶片的修复与制造，目前主要采用熔焊与钎焊等焊接技术[16，17]。朱凯涛等[18]采用BNi-7箔带钎料实现了GH4169合金的钎焊连接，其接头典型显微组织及元素分布如图1所示。
由图1可知，等温凝固区主要由Ni组成，非等温凝固区主要由Ni、Cr、P组成。在钎焊条件下，钎料中P向基体侧扩散。同时，部分基体的Nb和Fe熔入焊缝组织，形成富Fe的镍基固溶体。钎焊温度为1020℃时，剪切强度最大，为161.35MPa。GENG等[19]探讨了不同线性摩擦焊焊接参数对异种镍基合金(Inconel718和FGH96)接头的宏观/微观形成、微观结构演变和性能的影响。王诗洋等[20]以GH4169高温合金为研究对象，系统研究了钎焊热循环工艺对GH4169高温合金的析出相、晶粒尺寸、拉伸性能及持久性能的影响。结果表明，δ相的析出量随热循环温度的升高呈下降趋势，形态由针状转变为棒状后再转变为颗粒状;在970~1010℃范围内，晶粒尺寸无显著变化，而当温度升高至1020℃以上时，晶粒显著长大。抗拉强度和硬度均随热循环温度的升高先增加后降低，并在1010℃时达到峰值。
但是，传统制造技术在镍基高温合金叶片的修复应用中仍存在明显局限。铸造工艺主要用于新叶片的制造，难以实现对服役后损伤叶片的定向修复，且其凝固过程缓慢，易析出γ、γ"及δ等脆性相，导致材料性能下降[21]，需经长时间热处理和后处理才能满足使用要求，工艺复杂且周期长。焊接技术虽广泛应用于叶片修复，但在实际应用中仍面临诸多挑战。在焊接修复过程中，易在接头区域形成硬脆相，显著降低其高温力学性能。同时，较大的热输入导致基材局部过热，会产生较大的热应力和焊接变形，严重时引发热裂纹，降低修复区域的完整性与可靠性。
综上所述，传统铸造与焊接技术在镍基高温合金叶片制造中面临着组织调控难、热影响大、高温性能不足等共性挑战，难以满足航空发动机关键部件对质量与服役可靠性的严苛要求。
2.2激光制造技术
近年来，激光制造技术的快速发展在镍基高温合金涡轮叶片的高可靠制造中展现出广阔的应用前景，成为当前研究的热点方向[22]。LIU等[23]首先通过等离子喷涂沉积在NAB基板上，随后激光熔覆Ni60A粉末形成复合涂层，制备系统如图2所示，系统性地研究了涂层的微观结构、显微硬度和耐蚀性。结果表明，激光包覆涂层中的增强相主要由Ni3B，M7C3，Cr5B3及M23C6组成。激光涂层的顶层区域呈细小的等轴树突或颗粒状。
SAHOO等[24]通过有限元模拟(FEM)，研究了激光粉末床熔融(LPBF)制造Inconel718晶格的相对密度和测试温度对锯齿流变现象的影响，探索了构筑方向和温度对Inconel718的晶格结构中锯齿流变临界应变的影响。吴宇等[25]综述了4种不同增材制造工艺制造的3种镍基高温合金GH3536、GH3625和GH4169，阐述增材制造镍基高温合金的显微组织特征及常见冶金缺陷的形成原因与控制方法。FLEMING等[26]使用内联相干成像(ICI)和同步辐射X射线成像技术对镍基合金CM247LC在定向能量沉积(DED)过程中产生的表面波纹和裂纹进行了原位观察，揭示了表面波纹与裂纹之间的作用机制。ZHOU等[27]研究了双级时效和均匀化处理后双级时效对激光定向能量沉积Inconel718高温合金修复区不同轴向载荷下的干滑动磨损行为的影响。结果表明，沉积层的耐磨性决定了修复区的磨损率。残留的Laves相提高了双级时效试样在轻载荷下的耐磨性，通过溶解Laves相改善的延展性减轻了均匀化处理后双级时效试样在重载荷下的分层磨损。
此外，OKUGAWA等[28]、TAKAKUWA等[29]、ZHANG等[30]、ZHOU等[31]均对激光制造镍基高温合金进行了深入研究，为理解材料组织演化与性能调控提供了重要基础。
3、显微组织调控研究
3.1激光制造中的组织缺陷
激光制造过程中的非平衡凝固特性赋予了镍基高温合金独特的组织特征，但也导致了气孔、微裂纹、脆性析出相及残余应力等多种组织缺陷的产生，这些缺陷成为制约其力学性能与服役可靠性的关键瓶颈。
蔡振清等[32]采用选区激光熔化(SLM)技术制备GH4169高温合金，研究了扫描速度对SLM成形合金的物相组成、微观结构、显微硬度的影响，结果如图3所示。
从图3可看出，随着扫描速度的增加，合金的孔隙率先降后增，在1000mm/s时孔隙率最低，仅为0.01%，即致密性最佳;在600mm/s和800mm/s时合金纵截面存在不规则熔池及圆形冶金气孔;在1000mm/s时获得具有规则熔池形貌与近全致密组织的合金;在1400mm/s时合金中形成大量不规则未熔合孔。
WENG等[33]通过激光粉末床熔融技术制造了Inconel718合金试样，并对其在正交切削过程中的加工现象进行了研究，重点关注了切削能耗、切屑形态、几何缺陷及微观组织变形，并与传统锻造试样进行了对比。结果表明，采用切削激光粉末床熔融技术(PBF-LB/M)制造试样的能耗低于锻造，其中，垂直于建造方向切削时能耗最低，沿建造方向切削时次之。LI等[34]研究了工艺参数优化和衬底旋转对消除激光定向能沉积Inconel718单晶合金横向晶界的影响，重点关注了熔池底部[001]晶区的扩大、杂晶的消除及单晶结构的成形能力。结果表明，优化工艺参数的关键在于尽可能扩大熔池底部的[001]区域，并确保重熔深度超过熔池顶部的杂晶区高度，从而在后续沉积中完全消除杂散颗粒。PENG等[35]提出了一种主-辅激光粉末床熔融策略，集成两个顺序扫描的低功率主激光和一个大光斑辅助激光。模拟结果表明，该策略可消除孔隙，并将残余应力从单激光的1547MPa降至875MPa，降幅达43.4%。SINGH等[36]研究了激光粉末床熔融过程中Inconel 718残余应力的演化及其对不同取向构件力学性能的影响，重点关注了残余应力、孔隙率和晶体织构的耦合效应。结果表明，由于经受更多次重复热循环，垂直沉积的试样具有更高的残余应力、更粗大的晶粒，因而表现出更低的强度。
综上所述，孔隙、未熔合缺陷、残余应力集中、脆性Laves相析出及杂晶生成等组织缺陷，制约了激光制造镍基高温合金力学性能与服役可靠性。如何实现对上述缺陷的有效调控已成为该领域的研究重点。外加物理场辅助调控技术因其对熔池行为具有较好的干预能力已受到广泛关注。
3.2辅助场调控方法
目前，学者常采用温度场、超声波振动场、电磁场及脉冲电流等单一或多场复合制造，改善合金材料的显微结构与残余应力等，进而拓展激光制造技术在镍基高温合金的应用。
(1)超声波振动辅助激光制造超声波振动通过声流效应和空化效应影响熔池动态行为，辅助激光制造是一种结合超声波能量与激光技术的复合加工方法，近年来在高端装备修复、材料性能优化等领域展现出显著潜力[37]。嵇春艳等[38]研究了超声波振动辅助激光熔覆工艺在Inconel718合金表面制备Inconel 718-Hf涂层的微观结构演变及氧化行为，涂层SEM图像如图4所示。
从图4可看出，涂层与基体均为冶金结合，且Hf的掺杂和超声波振动细化了IN 718涂层的组织。Hf易与熔池中其他元素反应形成化合物，增加了形核质点，促进了组织细化。在涂层S3中，超声波引入的空化效应破坏了熔池中原有的粗大柱状枝晶，使其破碎并弥散分布，进一步增加了形核数量，强化了细化效果。
ZOHOURMESGAR等[39]研究了超声波振动对激光直接能量沉积(LDED)Inconel718合金质量效率和微观结构的影响，揭示超声波振动对晶粒形态及Laves相的影响。L\dot{U}等[40]研究了超声波振动对LDED制备Hastelloy X高温合金微观结构及高温氧化和变形行为的影响，深度表征了超声波振动对合金材料变形行为的影响机制。FAN等研究了二维超声波振动对增材制造Inconel718合金显微组织和力学性能的影响。结果表明，两种二维超声波振动策略均能使抗拉强度>910MPa，同时实现了强度与延展性的平衡。LIU等[42]研究了涂层在不同超声波冲击(UIT)持续时间下的微观结构特性和力学性能。结果表明，UIT促使涂层表面缺陷减少，孔隙率较原始涂层显著降低了90%。同时，涂层表面显微硬度达到691.57HV0.3，如图5所示，较原始涂层增加了约47.21%。
(2)脉冲电流辅助激光制造脉冲电流辅助技术在激光制造过程中展现出独特的组织调控优势。其作用机制主要源于3种物理效应的协同作用:电致迁移效应、趋肤效应及焦耳热效应，这些效应共同作用于熔池凝固与固态相变过程，残余应力缓解及孔隙缺陷抑制提供了径。
安金岚等[43]采用激光沉积修复金,并对成形部件进行了脉冲电流后处理,研究了脉冲电流对合金微观组织的影响规律。图6所示为不同参数脉冲电流处理后激光沉积修复GH4169高温合金修复区的Laves相形貌及等效尺寸。
从图6可看出，当施加相同频率的脉冲电流时，随着通电时间的延长，Laves相由细短条状变为较大的颗粒状或岛状，最终变为不连续的细颗粒状，同时Laves相的体积分数也相应减小。结果表明，未施加脉冲电流时合金修复区Laves相的体积分数为2.24%，经频率为40Hz的脉冲电流处理5min、10min及20min后，合金修复区Laves相的体积分数分别为0.85%、0.77%及0.57%。LIU等[44]采用高密度脉冲电流方法改善激光粉末床制备Inconel718合金，研究发现脉冲电流实现了快速的微观残余应力消除和微观偏析减轻且无显著的晶粒粗化。杜胶义等[45]在试验中选用GH4169镍基合金粉末，通过调节工艺参数，分析了其对粉末成形性的影响规律。结果表明，其最优工艺参数为扫描速度150mm/min、脉冲宽度5.0ms、铺粉厚度0.15mm、扫描电流140A、激光频率12Hz、扫描间距0.25mm。王洪明等[46]使用激光沉积GH4169高温合金制备修复试样，研究了通电时间对显微组织和拉伸性能的影响。结果表明，相比脉冲电流处理前，脉冲电流处理后激光沉积合金中Laves相的体积分数和尺寸均减小，抗拉强度和屈服强度均增大;随着通电时间延长，Laves相体积分数和尺寸逐渐减小，抗拉强度和屈服强度逐渐增大，拉伸断口处韧窝密度增大、尺寸和深度均减小。当通电时间为20min时，抗拉强度和屈服强度最大。
不同辅助场与激光制造技术的交互耦合，实现了对熔池凝固行为、组织演化及应力状态的协同调控，为镍基高温合金的高质量激光制造提供了新的技术路径。
(3)多场耦合辅助激光制造胡新新等[47]采用多场复合辅助激光熔覆技术在45钢基体上制备镍基涂层，研究了超声波振动、不同磁场强度、超声波电磁复合能场对熔覆层的影响机理。YAN等[48，49]研究了脉冲电流和超声波振动对Inconel718板材变形行为的耦合作用及其力学行为与微观结构，为理解脉冲电流和超声波振动在材料变形过程中的耦合作用提供了理论依据。ZHANG等[50]将超声波电磁复合物理场引入激光增材制造Inconel718合金。通过电磁诱导的洛伦兹力增强了超声波诱导的空化效应，抑制了沿沉积方向的柱状枝晶生长，促进了柱状晶向等轴晶的转变，使合金的平均显微硬度从244HV0.2提高至271HV0.2。同时，ZHANG等 [51]、HU等 [52]研究了多场辅助激光制造。当前研究已初步证实超声波振动、脉冲电流等辅助手段在改善熔池流动性、细化晶粒、调控析出相及缓解残余应力方面具有积极作用。
4、力学性能与服役性能研究
4.1拉伸性能研究
拉伸性能反映了材料在静态载荷下的强度与塑性匹配关系。近年来，学者们围绕热处理工艺、测试温度及合金改性等方面开展了研究。
KONG等[53]研究了低Laves相含量的改性Inconel 718合金(Ti2AlC/Inconel718复合材料)在均匀化+固溶+时效(HSA)、固溶+时效(SA)和直接时效处理(A)条件下的微观组织演化和力学性能的变化。结果表明，与沉积态试样相比，虽然HSA处理后的试样屈服强度降低了15.4%，伸长率降低了46.4%，但抗拉强度提高了5.8%。相比之下，SA和A试样则分别实现了9.6%和47.8%的屈服强度提升，以及11.2%和23.3%的抗拉强度提升，但伸长率分别下降了56.5%和70.3%。QIN等研究了激光粉末床熔融(LPBF)镍基超合金GH3230在低温(-195℃)至高温下(950℃)的拉伸行为，阐明了不同温度下的拉伸特性和断裂机制。结果表明，抗拉强度，特别是屈服强度和极限抗拉强度随着测试温度升高而下降。在-195~20℃的温度范围内，双晶变形是塑性变形的主要机制。变形双晶的边界阻碍位错运动，导致大量应变硬化，进而导致所有测试温度中最高的屈服强度和极限抗拉强度。QUAN等[55]通过LPBF制备GH4099高温合金并分析其在25℃、600℃和900℃下的微观结构演化和拉伸行为。结果显示，位错滑移在25℃和600℃时占主导，位错剪切y相增强了合金。在900℃时，退火双晶占主导地位。制备的GH4099高温合金在25℃、600℃和900℃时，最终抗拉强度分别为1222MPa，1091MPa，444MPa，屈服强度分别为850MPa，767MPa，443MPa，伸长率分别为24.4%、17.4%和13.8%。
4.2耐磨性能研究
耐磨性能是评价激光制造涂层在摩擦工况下服役寿命的关键指标。LI等[56]采用激光定向能量沉积(LDED)技术，借助电磁耦合场(EMF)系统性研究电流强度和方向对熔池动力学、缺陷演化、微观结构演化及复合涂层摩擦行为的影响。结果表明，耦合场重塑了熔池流动模式，有效抑制孔隙和裂纹，将缺陷密度降低至0.075%。适当的电流强度促进颗粒重新分布，抑制疲劳剥落，并使耐磨性提升近64.70%。QI等[57]通过调控纯钛、B4C和镍涂层石墨的含量，制备了不同含量的TiB2-TiC。研究发现，当TiB2-TiC的含量超过15%(质量分数，下同)时，孔隙度缺陷减少。随着TiB2-TiC含量增加，组织从细小块状逐渐转变为更大的花瓣状颗粒。由于更大的瓣状TiB2-TiC颗粒作为支撑骨架，因此磨损剥落的镍基复合涂层减少。其中，含30%的TiB2-TiC试样在往复滑动摩擦测试中磨损体积最小，比原始镍基涂层低约46.4%。GU等入超声振动波技术，提升激光原位镀层TiC增强复合材料涂层的集成性能。分析了不同超声波振幅对TiC增强复合涂层相成分、显微硬度和耐磨性的影响。结果表明，粗TiC陶瓷边缘环状(Ti，Nb)C的厚度通过超声波振动而增加。此外，陶瓷颗粒分布均匀性也提升了9.91%。原位TiC在滑动磨损过程中的剥落显著降低，磨损损失率也降低了98.16%。
4.3疲劳性能研究
疲劳性能是评价涡轮叶片等关键传动部件服役可靠性的核心指标，直接关系到航空发动机的飞行安全与使用寿命。学者们围绕激光制造镍基高温合金的疲劳裂纹萌生与扩展机制、寿命预测模型及热处理工艺影响等方面开展了系统研究。SUN等[59]通过阈值应力强度因子评估，计算了不同温度下的裂纹扩展长度，并建立了基于不同失效模式的疲劳寿命预测模型，研究了温度对增材制造镍基高温合金微观结构相关内部裂纹机制和寿命预测的影响。LI等[60]通过原位数字图像相关(DIC)观察和事后微观结构分析，研究了激光粉末床(LPBF)制造的GH4169镍基合金在室温下疲劳短裂纹扩展阻力和速率波动的微观结构敏感性，提供了对短裂纹扩展阻力的微观结构来源的见解，以及对观察到的裂纹扩展速率显著波动的理论分析。孙传文等[61]研究了LPBF镍基高温合金在650℃高温下的疲劳性能，在650℃下进行了应力比为R=-1和R=0.1的轴向加载疲劳试验，选取R=0.1的典型内部失效断口作为分析对象，研究LPBF镍基高温合金的多尺度内部失效行为;通过结合裂纹尖端应力强度因子的定义，提出与小平面裂纹特征相关的裂纹成核寿命预测方法，其预测结果与试验结果具有较好的一致性。SHI等[62]通过激光粉末床熔融工艺制造，研究了两种热处理策略[溶液+时效(SA)和热等静压+溶液+均质化时效(HSA)]对超合金微观结构演化及疲劳性能的影响。结果表明，HSA处理消除了材料的细胞和层状亚结构，增大了晶粒尺寸，减小了位错密度和析出物尺寸，与SA处理的材料相比，疲劳抗力降低。此外，建立了结合晶体塑性有限元模型与热力学熵生成，预测疲劳寿命。
原位观测技术的发展为揭示裂纹萌生与扩展机制提供了有力工具。然而，裂纹萌生与扩展机制与位错/析出相交互作用的定量关联尚需进一步阐明。
5、制造过程数值模拟研究
目前较多学者通过有限元仿真试验，对激光制造的过程分析进行了探索。
NIE等[63]开发了一种新的数值模拟模型，结合计算流体动力学(CFD)、物理能量函数和有限元方法(FEM)，研究了激光熔覆过程中镍基高温合金的热历史。WANG等[64]通过第一性原理计算确定了两种不同碳化物的弹性性质，提出了一种多尺度数值方法，研究了镍基高温合金中不同特性碳化物的强化和损伤行为。姚芳萍等[65]通过Comsol软件对不同激光功率下的温度场和应力场进行数值模拟，得到1400W和1600W两组满足材料制备基本要求的激光功率值，绘制了温度梯度和不同方向的热应力变化曲线，并通过试验验证了仿真结果的准确性，进而得到最佳激光功率值。WU等[66]采用分子动力学方法，通过建立三维立方原子模型，模拟了镍基高温合金在不同热机械疲劳(TMF)作用下的力学性能和微观结构演变，揭示其变形机制。ZHOU等[67]采用第一性原理与有限元结合深度研究了MC碳化物氧化如何影响单晶高温合金在中温低周疲劳过程中的裂纹萌生，提出了一种物理模型解释碳化物氧化如何促进单晶高温合金在循环载荷下的疲劳裂纹萌生。
综上所述，从宏观尺度有限元模拟到原子尺度第一性原理计算，多尺度数值方法已应用于激光制造过程分析。研究不仅深化了对热历史、应力演化及微观组织演变规律的认识，也为工艺参数优化与寿命预测提供了理论工具。
6、结束语
本文系统综述了镍基高温合金激光制造技术的研究进展，从工艺特性、组织调控、力学性能及数值模拟4个维度，系统梳理了该领域的关键成果与核心发现。在技术手段方面，激光制造技术凭借其高能量密度与快速凝固特性，在复杂构件成形及损伤修复中展现出优于传统铸造与焊接的潜力。在组织调控方面，超声波振动、脉冲电流等辅助手段通过改善熔池流动、细化晶粒及调控析出相，有效抑制了气孔、裂纹及残余应力等典型缺陷，为实现高性能制造提供了解决途径。在性能研究方面，拉伸、耐磨及疲劳性能随热处理工艺、测试温度及多场耦合条件的演变规律被系统总结，揭示了位错滑移、孪晶演化等微观变形机制对宏观性能的决定性影响。在数值模拟方面，从宏观有限元到原子尺度模拟的多尺度方法已广泛应用于热历史重建、应力场演化及裂纹萌生机理研究，为工艺优化提供了理论支撑。
尽管当前研究已取得一定成果，但该领域仍面临挑战。首先，工艺参数、微观组织特征与力学性能之间的定量映射关系尚不明确。多场耦合条件下的协同效应与作用机制缺乏系统认识。其次，现有研究多集中于单一性能指标的评价，对拉伸、耐磨、疲劳等多性能的协同优化探索不足，多尺度表征与原位观测手段的应用仍处于起步阶段。
未来镍基高温合金激光制造技术的研究可从以下方面重点突破。
1)深化多场耦合调控机理研究，建立多场参数、工艺参数与组织演变的定量关联，发展多物理场耦合的数值模拟方法。
2)发展多尺度表征技术，结合原位观测与先进仿真手段，揭示位错、析出相与孪晶的交互作用及其对疲劳裂纹萌生与扩展的影响规律。
3)构建工艺-组织-性能全链条映射关系模型，建立涵盖拉伸、疲劳、蠕变、氧化等多性能指标的综合评价体系。
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（注，原文标题：镍基高温合金激光制造技术研究进展_周杰）