美国加州大学Nature子刊丨一种3D打印的高强度、抗缺陷高温合金

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增材制造（Additive Manufacturing, AM）有望实现高经济价值金属材料生产的重大变革，以最少的材料消耗实现创新、几何复杂的设计。最大的挑战是设计与独特的增材制造加工条件兼容的合金，同时保障材料性能足以应对能源、空间和核应用中的极端环境。

镍基高温合金在高温下具有优异的机械性能，是制造高温结构部件的首选材料，例如飞机发动机和燃气轮机高端部件的单晶(SX)涡轮叶片。然而，很多镍基高温合金是无法焊接的，这是由于凝固后γ′相快速析出，阻碍了热应力的松弛，导致应变时效开裂。而金属的AM工艺类似于多道次的焊接过程，所选材料往往是可焊接的合金，这种合金不易受到液相中产生的开裂机制的影响，如液化开裂或热裂，或者是由于固态中产生的应力，导致例如应变时效开裂和脆性开裂。因此，镍基高温合金的增材制造需要创新的合金设计。

图1. 基于EBM和SLM增材制造的CoNi基高温合金

美国加州大学圣巴巴拉分校和橡树岭国家实验室联合开发了一种高强度、抗缺陷的3D打印CoNi基高温合金，成分主要是含量大致相同的Co和Ni，以及少量Al、Cr、Ta和W等元素，可以通过选区激光熔化(SLM)和电子束熔化(EBM)等技术打印出无裂纹的部件，尽管仍存在高体积分数的γʹ相。由于在凝固过程中溶质的低偏析以及γʹ固溶温度的降低，CoNi基合金可在凝固完成后缓解开裂，使得其在打印和后处理下具有超过1.1 GPa的强度和室温下大于13%的延伸率。拉伸试验表明，与目前正在研究的其他镍基高温合金相比，CoNi-基高温合金具有优良的延性和强度组合。