金属3D打印（增材制造）在近30年前还只是个概念，但由于该方法精密制造的可行性，在近些年已经在各领域逐渐步入应用阶段。其中，高温合金有巨大潜力。这类合金主要应用于飞机发动机的涡轮叶片，其服役条件极为苛刻——高温高应力且伴随腐蚀和氧化。高温合金叶片多年来一直使用精密脱蜡铸造，但其过程过于冗长，且面临着薄壁等技术难题的根本性挑战。因此增材高温合金对（超）复杂结构的部件有着极强的颠覆性。

当然，增材高温合金也面临诸多挑战。其中使用激光粉床等方法时，由于局部降温速度过快，其微观组织很可能处于非稳态。对于依赖强化相来优化性能的高温合金来讲，传统热处理方案很可能不再完全适用——毕竟不同加工路径下的初始组织已截然不同。更行之有效的热处理设计方案有待开发，这无疑需要深入的基础研究。

近期，来自牛津大学，伯明翰大学，钻石光源同步辐射中心，英国国家物理实验室等单位的研究人员对增材高温合金进行多尺度研究。该研究侧重同步辐射光源原位衍射（S-XRD），并通过大量的原子探针（APT），高角度环形暗场电镜（HAADF-STEM），纳米二次离子质谱（Nano-SIMS）和电阻率实验来观测高温合金在不同温度下的反应，从而总结出初始增材条件下高温合金组织在加热条件中的演化，并在此基础上对新热处理策略提出新思路。该研究发表在增材制造顶刊《Additive Manufacturing》，本文第一作者兼通讯作者为牛津大学汤元博博士。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860423000027

该研究首先着重表征了一种新型高温合金ABD-900AM的增材初始态，通过同步辐射衍射，原子探针，高分辨（扫描）透射电镜等工具，确认其初始态的伽马一撇强化相被完全抑制形核，其初始态为过饱和伽马基体。其主元素偏析程度极低，不过碳、硼、硫的辨析明显且已经变成化合物。对于高温合金而言，这是一个崭新的起点，因为通过铸造，锻造，粉末冶金成型的高温合金的初始态都是伽马一撇与伽马基体双相。传统的均匀化处理可能不再是必要过程——初始态几乎是完美的均匀态.

在此基础上，研究人员对该材料进行热处理并使用原位同步辐射衍射来测量伽马一撇强化相的衍化。该合金在740度左右开始有明显的体积分数增长，而从亚固溶温度降温后，可明显看到体积分数的第二波增长。前一波的强化相来自加热，而第二波的来自降温。更值得一提的是，首次在加热中形核的伽马一撇具有很高晶格常数，相应的晶格失配极高（约十倍于同类合金），而随着保温一小时，晶格失配回归正常水平。原子探针数据显示，两相在保温的开始与结束都经历了元素变化，这可能是晶格失配的主要原因。而后，电阻率测试在加热过程中发现最早的电阻率明显变化出现在500度上下，伽马基体的晶格常数在这个温度范围也有微小变化，这预示着可能最开始的强化相形核很可能出现在这个温度范围。

另外，该研究还发现当热处理温度足够高可以导致静态再结晶，而再结晶温度可能需要远超于一般认为的固溶温度，这被认为与材料中纳米级氧化铝的生成导致，因此回收的金属粉末可能会需要更高的再结晶温度。

图2：ABD900AM合金在不同条件下的碳、硼、硫、氧的表征。其中初始态中硼有明显元素偏析，碳硼硫都产生了化合物，氧含量则非常均匀。

图3：ABD900AM和ABD850AM合金在亚固溶和过固溶热处理的原位同步辐射光源衍射

本文结尾处还特别讨论了热处理增材高温合金的新策略，其中包括可以避免或大幅度缩短的均匀化处理；亚固溶处理中加热速率把控的重要性；过固溶对于降低位错密度以及各向异性的贡献等。诚然，对于增材高温合金而言，新的热处理方案有潜力进一步优化部件的服役表现。