传统高温合金制造

    高温合金是以镍、钴或铁为基础的金属合金，能够抵御高温变形、腐蚀和氧化，尤其是在接近熔点的高温环境下工作时。它们最初是为涡轮喷气发动机中的燃气涡轮部件而研发，如今在航空航天和发电行业的高温应用中得到广泛使用。为了获得这些高温性能（包括机械性能和化学性能），微观结构控制至关重要，这需要通过添加特定的合金元素并结合精细的制造工艺来实现。

    镍基高温合金是最早研发且发展最为成熟的高温合金种类，其依赖于两相微观结构：在富铬镍基体中生长的强化相 ——(Ni,Co)₃(Al,Ti,Ta) 析出物（L12 晶体结构，称为 γ′相）。还可能添加其他合金元素，如难熔金属（铼、钼、钨）或类金属（硼、碳）。基于其化学成分，这些合金是人类设计出的最为复杂的合金之一。在传统加工过程中，这种关键的析出过程是在 1000 - 750°C 的冷却温度范围内，通过扩散控制反应发生的。

    例如，要生产一个喷气发动机涡轮叶片，需要制作冷却通道的蜡模和硅基复制品，为每个生产的部件制作陶瓷模具，然后在真空环境下将数千克熔融金属浇铸其中。冷却至环境温度需要数小时，而且在冷却过程中无法抑制 γ′相的析出；此外，还需要在接近 1300°C（略低于熔点）的温度下进行数小时的精细后续热处理，以减少铸造过程中产生的化学枝晶偏析。最后，还需要进行机械加工，才能将涡轮叶片加工成最终复杂的几何形状。熔模铸造过程涉及多项化学和工艺控制，在涡轮部件的铸造和后续加工过程中会产生大量废料：最终只有约 10% 的高温合金能制成成品。

    3D 打印：高温合金加工的新途径

    使用 3D 打印，即增材制造（AM），而非熔模铸造，能够从根本上改变加工方式，减少制造步骤并最大限度地减少加工废料。在计算机辅助设计（CAD）系统的直接输入下，通过激光逐层熔化并固化直径几十微米的固体粉末，赋予了前所未有的设计自由度：可以制造中空结构、泡沫状或晶格结构，以增材方式而非减材方式更有效地利用材料。此外，增材制造过程中，在微米级长度和时间尺度内对细粉末进行熔化和再熔化，冷却速率高达 10³ - 10⁶°C/s，并且在加工过程中产生截然不同的冶金反应。凝固过程会形成非常细小的胞状微观结构，而非枝晶结构，这几乎消除了传统加工中存在的枝晶偏析，从而无需进行化学均匀化步骤。极高的冷却速率也抑制了 γ′相的析出，使得在后续热处理过程中可以定制纳米级析出物，以改善性能。通过设计新的热处理方案，可以优化析出相，从而在增材制造的高温合金中获得理想的、与高强度相关的微观结构。

    然而，增材制造在高温合金复杂中空结构（如航空喷气涡轮叶片）中的广泛应用仍并非易事。为了成功在高温合金中应用增材制造技术，我们需要更深入地理解该工艺的科学原理。例如，当激光接触金属粉末时，固态、液态、气态和等离子态这四种物质状态都会相互作用，但几乎没有基于物理原理的模型能够解释这种复杂性。此外，快速且反复的热循环特性会产生强烈的热梯度，进而导致化学、结构和机械状态处于亚稳态，引发冶金缺陷，损害材料性能。

    金属 3D 打印的材料与制造设计

    我们设想通过精心设计的计算机辅助设计模型、基于模型设计的合金以及经过优化（甚至是空间变化）的 3D 打印策略，来制造高附加值的部件。可以想象，只要所需的 3D 打印基础设施是分布式（而非集中式）的，并且有可用的原材料，这些部件就可以在本地打印。

    利用数据驱动的方法来处理从金属粉末特性到高度自由的打印策略等复杂加工参数，是应对这些挑战的最佳方式，这种方法顺应了数据科学、基于物理的建模、工艺建模和人工智能等领域的发展趋势。增材制造的一些技术细节，如初始粉末和加工策略，对于减少缺陷和保证部件质量的一致性至关重要。虽然没那么基础，但在商业层面实施增材制造工艺，需要进行多尺度工艺建模、改进原位监测和后处理，并采用全面的工业标准，特别是因为这些合金是为航空航天领域的关键任务应用而设计的。考虑到所有这些因素，高温合金增材制造的材料设计方法需要利用从粉末加工、熔化、打印策略到后热处理的所有数据，目的在于有意识地设计成分和加工路线，以实现缺陷最少、废料最少，并获得理想的微观结构 - 性能关系。这样的制造方法将提供一种更周全、高效的方式来制造高性能结构金属部件，同时满足环境需求并促进可持续发展。