镍基高温合金是以镍为主要成分(含量一般大于50%)的高温合金,在650-1000℃范围内具有较高强度、良好抗氧化和抗燃气腐蚀能力等综合性能 。其优异的高温力学性能主要来源于其特殊的微观组织结构,主要包括γ相基体和γ'相强化相。在常温和高温下,γ'相通过Orowan机制阻碍位错运动,显著提高材料的强度 。此外,镍基高温合金中还存在其他强化相,如δ相、Laves相、碳化物等,这些相的分布和形态对材料的性能有着重要影响。
增材制造技术是一种通过逐层堆积和熔化金属粉末或丝材,根据预设路径构建三维结构的方法。与传统铸造、锻造等工艺相比,增材制造技术能够实现复杂结构的一体化制造,提高材料利用率,缩短生产周期 。目前,航空航天领域常用的镍基高温合金增材制造工艺主要包括激光粉末床熔融(LPBF)、电子束熔融(EBM)、激光直接能量沉积(LDED)和电弧增材制造(WAAM)等。

合金元素在镍基高温合金中起着重要作用。铬是主要的抗氧化元素,能在表面形成致密的氧化铬保护膜。铝和钛是形成强化相的主要元素,能够与镍形成金属间化合物,提高合金强度。钼、钨、铌等元素主要通过固溶强化提高基体强度。碳、硼、锆等元素则主要强化晶界,改善高温塑性。稀土元素如镧、铈等也能改善抗氧化性能。不同元素的配比需要经过精确计算和实验验证,以确保合金综合性能的优秀化。
尽管增材制造技术在镍基高温合金领域取得了显著进展,但仍面临一系列挑战。首先是材料性能的各向异性问题,由于增材制造过程的逐层成形特性,材料在不同方向上的力学性能存在明显差异,限制了其在关键部件中的应用。
其次是工艺参数优化的复杂性,镍基高温合金成分复杂,对增材制造工艺参数的敏感性存在较大差异,需要进行细致的参数优化研究。
热处理工艺的专用性也是重要挑战。传统热处理制度不能完全适用于增材制造镍基高温合金,因为增材制造过程的高温度梯度和高冷却速度导致了不同的微观组织和缺陷。
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