综述：增材制造镍基高温合金的研究进展

导读：镍基高温合金具有强度高、抗氧化能力好、蠕变强度和持久强度好以及抗燃气腐蚀能力的特点，被广泛应用于航空航天、汽车通讯、船舶制造等领域。 近年来，增材制造技术的进步加速了增材制造镍基高温合金的发展。激光增材制造对于镍基高温合金的制备具有独特的优势，如生产周期短、成本低以及可进行功能预设等。 对于航空发动机及燃气机轮中喷嘴、燃烧室等热段部件以及航天飞行器等复杂零件的成形制造非常有利。

本文综述了增材制造技术制备镍基高温合金的研究进展，简要概括了增材制造技术和镍基高温合金的发展概况，总结了用增材制造技术制备的镍基高温合金成形件的显微组织、后处理后组织的变化及其对力学性能的影响，最后阐述了增材制造镍基高温合金成形件存在的缺陷及解决方法。
 

目前，增材制造技术（也称3D打印）凭借其逐层制造的新型制造模式被广泛应用于各个领域 （见图1、图2），主要成形的材料有铝合金、钛合金、镍基高温合金以及陶瓷等 。 金属材料增材制造技术依据其成形原理可分为：激光烧结式（SLS）、熔融沉积式（FDM）、激光熔化式（SLM）、激光熔覆沉积（LCD）和电子束熔化沉积（EBM），其成形工艺对比见表１。常用的激光熔覆技术与选区激光熔化技术原理如图3、图4所示 。 增材制造所使用的金属粉末除了需要具备良好的可塑性之外，还必须满足粉末粒径细小、含氧量低、粒度分布区间较窄、球形度高、流动性好和松装密度高等要求。 当前，增材制造能够应用的金属粉末材料种类包括模具钢、镍合金、钛合金、铝合金和青铜合金等。 一般情况下，激光选区熔化成形中所需粉末粒径在20-45μｍ，而激光熔覆成型中所需粉末粒径一般在90-150μｍ。 目前，等离子旋转电极法(PREP)、等离子雾化法(PA)和气雾化法(GA)是增材制造用金属粉末的主要制备方法，三种方法都可以制备球形或者近球形金属粉末。
 

相比传统制造，增材制造具有以下优势：
（1）节约环保，没有边角料，材料利用率高；
（2）可生产形状结构复杂的产品；
（3）按生产情况所需，即打即用；
（4）生产周期短，效率高。

因此，增材制造技术被广泛地应用于航空航天、医疗、教育、生活等各个领域，主要体现在机械制造领域。 但是，增材制造技术也存在着以下的问题：
（1）大部分工艺采用的原料是粉末，其制备要求较高；
（2）材料成型的过程比较难控制；
（3）所得成形件的精度不高；
（4）增材制造过程中的支撑结构制备技术不成熟；
（5）所应用的软件编程技术有待进一步提高。
 

镍基高温合金是一种在高温条件下（540-1000 ℃范围）具有高强度、抗氧化能力好、蠕变强度和持久强度好以及抗燃气腐蚀能力的材料。 它是基于Cr20Ni80 合金发展起来的，为满足高温热强性和气体介质中的抗氧化和抗腐蚀的要求，加入了大量的强化元素，来保证其优越的高温性能。 镍基高温合金凭借其优异的综合性能，被广泛应用于航空航天领域、汽车通讯领域、船舶制造领域等（见图5）。镍基高温合金的开发和使用开始于20世纪30年代末期，是基于飞机对材料的综合性能提出更高要求的背景下发展起来的，英国于20 世纪40年代初率先生产出NI75 镍基合金，后来美国和苏联也相继研制出镍基高温合金，中国于 20世纪50年代研制成功。 镍基合金的发展包括合金成分的改进和生产工艺的创新两个方面，真空熔炼技术的发展为制备镍基合金提供了条件。 之后，通过熔模精密铸造工艺制备了许多具备良好高温强度的铸造合金。 镍基高温合金种类繁多，已成熟应用于SLM工艺的合金材料有K4202、GH3536、IN738LC、IN718、IN625五种。

未来，镍基高温合金的发展趋向于低成本、高强度、密度小以及抗热腐蚀性方向。 镍基高温合金的发展有以下几个方面：（1）发展耐腐蚀性能优越的单晶合金；
（2）保持组织稳定性，提高材料强度；
（3）降低昂贵金属元素的添加量，节约成本；
（4）研究发展密度小的单晶合金。

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