高铝钛镍基高温合金因为具有很强的高温强度、抗氧化性以及抗热腐蚀性，所以它是航空发动机叶片、涡轮盘这些关键热端部件的最佳选择。激光增材制造技术有着制造周期短、材料利用率高、能够实现复杂结构的近净成形等优点，它给高铝钛镍基高温合金构件的制造打开了新的道路。但是这种合金在激光增材制造的时候，由于快速凝固、局部热循环很剧烈等情况，很容易产生裂纹，使得构件的性能变差甚至报废，裂纹成了限制高铝钛镍基高温合金激光增材制造技术广泛应用的主要障碍。当下，国内外学者针对激光增材制造裂纹问题做了很多研究，但是就高铝钛镍基高温合金而言，系统性的裂纹抑制研究还是比较少的。本文希望深入探究高铝钛镍基高温合金激光增材制造的裂纹形成机理，通过改良工艺参数，改善材料体系和后处理工艺等措施，给出有效的裂纹抑制策略，从而为推进这种合金在先进制造领域的应用提供理论和实际方面的支撑。
1、高铝钛镍基高温合金激光增材制造裂纹形成机理
1.1热应力作用
激光增材制造过程中，高铝钛镍基高温合金材料会经历极为快速的加热和冷却过程，这样非平衡态的热循环使得材料局部区域具有很大的温度梯度，依据热应力理论可知，温度梯度会导致材料各个部位热胀冷缩的不均匀性，从而产生热应力。当这种热应力超出材料在对应温度下的抗拉强度时，就会产生裂纹，为了进一步探究热应力对于裂纹产生的影响，本文运用有限元模拟方法，针对不同工艺参数条件下构件内部的热应力分布进行了研究，就拿激光功率2000W、扫描速度10mm/s的工艺条件来说，经过模拟得到，构件内部的最大热应力能够达到500MPa。但是高铝钛镍基高温合金的室温抗拉强度在800MPa左右，当材料处于高温状态时，其抗拉强度将会大幅度下降，此时热应力所占比例高达62.5%，很容易超过材料在高温下的强度极限，从而导致裂纹产生 [1]。
1.2凝固结晶特性
高铝钛镍基高温合金在凝固过程中，由于溶质元素的扩散速度远慢于晶体生长速度，会导致合金中的溶质元素在固液界面前沿偏析而发生偏析，导致凝固区间增大，形成了一个成分过冷区。在成分过冷作用下使树枝晶生长的速度加快，在晶粒界面上富集了大量的低熔点共晶相，会使晶界上的结合力下降，使晶界成了裂纹扩展的薄弱部位。对凝固结晶进行实验探究,当合金含铝含量为8%,钛含量为6%时,使用DSC来测定其凝固区间与普通的成分合金相比增加了20℃~30℃。再者是利用电子探针显微分析(EPMA)对晶界处的成分进行检测,发现晶界处低熔点相含量增加15%~20%。在拉伸实验中，这些晶界区域最先发生开裂，裂纹沿着晶界迅速扩展，使得材料性能急剧下降。
1.3合金元素影响
合金中的铝、钛等活性元素含量对高铝钛镍基高温合金有较大的影响。当钛等活性元素含量过多时，会使合金产生较大的脆性，铝元素在合金中可以形成大量的Ni3Al等金属化合物，在一定程度提高了合金的高温强度，但也会降低合金的塑性。钛元素能够使合金的晶粒变得非常细，能够在一定程度上提高合金的强度和韧性，但是若钛元素过多，则会在组织中析出大量的颗粒状物，并且降低了材料的韧性。在多个合金元素梯度的试验中，研究了合金元素的裂纹敏感性，得出结果为当铝元素大于7%的时候，合金的延展率将会从12%急剧下降到5%，脆性显著增大，裂纹的敏感程度也大幅度升高。钛含量过高时，合金冷却后会析出TiC之类粗大硬质相，在它们周围产生明显应力积聚区，成为裂纹起源点。另外铬、钴之类元素含量低，但同样对合金相变过程，固溶强化效果，抗氧化性等等有间接影响，进而牵涉到裂纹生成扩展的情况也存在 [2]。
2、工艺参数对裂纹形成的影响
2.1激光功率
为了研究激光功率对裂纹形成的影响，开展一系列不同激光功率下的实验。将激光功率设置为1600W、1800W、2000W、2200W，扫描速度设为10mm/s，送粉速率为8g/min，试样尺寸及材料成分相同的情况下开展激光增材制造实验。在制造过程中，对试样进行编号，记录试样制造过程中各工艺参数和实时温度的变化情况，制造完成后采用X射线探伤等无损检测手段对试样进行裂纹检测，统计裂纹数量、长度等并计算裂纹率。
由图中可清楚地看到，当激光的功率上升时，裂纹率也在上升，激光功率为1600W的时期裂纹率是8%，当功率增加至2200W时，其裂纹率上升到了22%，因为激光的功率上升了，那么它输入的能量就增加了，这也会让熔池的温度升得更高些，冷却的速率就会加速很多，这样迅速地冷却就会让材料内部产生的热应力迅速扩大，在热应力超过材料强度极限的时候，裂纹就会产生出来。而且激光的功率加大时，还会让熔池的流动性变得强些，有可能会造成熔池的飞溅或者塌陷之类的毛病出现，从而也增添了裂纹产生的机会
2.2扫描速度
在激光功率为2000W、送粉速率为8g/min的条件下,将扫描速度分别设为8mm/s、10mm/s、12mm/s、14mm/s进行实验，对每个试样进行检测并记录。
根据图表中的数据可以看出随着扫描的速度的逐步提升裂纹率也逐步的下降，具体体现在扫描速度每秒8毫米的时候，裂纹率为18%，而在扫描速度增加到每秒14毫米的时候裂纹率却下降到只有6%。因为扫描的速度变快，单位时间内的能量输入减少，使得熔池吸收的热量总量降低，因此熔池的冷却过程也就相对缓慢，有利于降低内部热应力。热应力减小有效遏制了裂纹的形成，再分析可知，扫描速度较高时，熔池的形状会变得更细长一些，这样的熔池形状有助于熔池内部气体的逸出、气孔等缺陷的数量随之减少。气孔等缺陷的减少在某种程度上减少了裂纹出现的概率，也提升了材料的整体质量。所以通过调节扫描速度，在一定程度上可以控制裂纹的形成，进而改善材料的加工流程及其最终产品。
2.3送粉速率
固定激光功率为2000W，扫描速度为10mm/s，送粉速率分别设为6g/min、8g/min、10g/min、12g/min进行实验。
从实验结果中可以看出，随着送粉速率的逐渐增加，裂纹率也呈现出了上升的趋势。当送粉速率为6g/min的时候，裂纹率是10%，而当送粉速率提高到12g/min时，裂纹率就上升到了18%。造成这种情况的原因是，一方面，送粉速率过快会导致熔池的稳定性被破坏，导致粉末颗粒没有被完全熔化，形成未融合缺陷。未熔合缺陷的存在，会使构件的力学性能显著下降，在缺陷周围会产生较大的应力集中现象，进而使得热应力增加，裂纹就会更容易出现并且蔓延。另一方面，如果送粉速率过慢，熔池的体积会变得过小，不能形成连续的堆积层，这样也会对构件的成型质量产生影响。所以，要保证构件的质量，就必须选取恰当的送粉速率[5]。
3、裂纹抑制策略
3.1工艺参数优化
综上所述的实验结果，为了得到最合适的工艺参数组合，我们采用了正交试验设计的方法，对激光功率、扫描速度、送粉速率这三个因素进行了优化，我们以裂纹率为评价指标，设计了三因素四水平的正交试验方案，总共进行了16组实验。在实验中，我们控制了其他因素的一致性，比如材料成分、预热温度、环境温度等，以此来保证实验结果的准确度，每组实验都是做了三次，然后取这三次实验结果的平均值作为这组实验的最终结果,这样做的目的是提高实验数据的可靠性和稳定性，通过对实验数据进行详细的方差分析，得出每个因素对于裂纹率的影响程度。分析结果表明，激光功率对于裂纹率的影响最大，其次是扫描速度，送粉速率的影响最小。经过多轮实验与数据分析之后，最终找到了最佳的工艺参数组合，那就是激光功率设为1800W，扫描速度设为12mm/s，送粉速率设为8g/min，这样的一组最佳工艺参数组合之下，裂纹率能够被降低到8%，相比于最初的工艺参数，裂纹率足足下降了50%之多。为了验证优化之后的工艺参数稳定性和可靠性，还做了重复性验证实验。结果显示，在这个最佳工艺参数下制造出来的试样，它的裂纹率波动比较小，表现出不错的稳定性，这就表示利用正交试验设计方法得出的最佳工艺参数组合不但大幅削减了裂纹率，而且具备很强的重复性和可靠性，给实际生产应用给予了有力的技术支撑。
3.2
在合金中添加适量的铌、钼等元素能够细化晶粒，改善晶界结构，提升合金的塑性和韧性，利用粉末冶金法制作出不同出不同铌、钼含量的高铝钛镍基高温合金粉末，之后用激光增材制造技术来制作试样。实验表明，当添加1.5%的铌和2%的钼时，利用金相显微镜观察到，合金的晶粒尺寸明显变小，平均晶粒尺寸由原来的50μm减小到20μm左右。而且，经过拉伸试验检测，合金的延伸率从5%上升到8%，裂纹敏感性明显下降，这是由于铌、钼等元素在合金凝固过程中会成为异质形核核心，促使晶粒形核，进而细化晶粒。细化的晶粒可以增大晶界面积，晶界对裂纹扩展的阻碍作用变强，这样就提高了合金的抗裂纹能力。而且调整铝、钛元素的比例也对抑制裂纹有很大影响，把铝含量控制在6%~7%，把钛含量控制在5%~6%。经过DSC测试以后，可以缩减凝固区间，削减晶界处低熔点相的含量。用扫描电镜(SEM)对晶界处的微观构造展开观察，结果显示，改良过的合金在晶界处低熔点相的含量削减了大约30%，晶界的结合强度明显改善，有效地阻止了裂纹的产生。
3.3后处理工艺改进
3.3.1热处理
用固溶时效处理工艺把经增材制造后的构件加热到1050℃，保温两小时后再用水淬火，之后放到850℃做时效处理，保温四个小时以后空冷。在执行固溶处理的时候，合金里面的第二相会完全溶进基体里面，这样就形成了均匀的固溶体，成分偏析的问题也被消除掉。水淬这个步骤会让溶质迅速冷却，从而使得固溶体处在过饱和状态。经过时效处理以后，这种过饱和的固溶体就会从中析出很多细小而且分散的第二相，这些第二相能起到一种弥散强化的作用，进而提升材料的强度和硬度。接着用X射线应力分析仪对热处理前后的构件内部残余应力进行检测。由实验数据得出，经过热处理后，构件内部残余应力降低60%，然后用疲劳试验机对试样进行疲劳试验，裂纹扩展速率下降40%，因为热处理可以消除构件内部残余应力，减少应力集中，同时使组织均匀化，提高材料性能，抑制裂纹扩展。
3.3.2超声冲击处理
采用超声冲击设备对构件表面进行处理,频率为20kHz,冲击时间10min。超声冲击处理时,高速运动的冲击针反复撞击构件表面,使表面材料发生塑性变形,在构件表面形成压应力，以抵消残余拉应力。同时超声冲击还可以细化表层晶粒，改善表面质量。采用X射线衍射残余应力测试技术对超声冲击处理前后构件表面残余应力进行测试，结果表明超声冲击处理后，构件表面残余压应力为300MPa。用扫描电镜来观察处理前后表面的微观结构，超声冲击处理过后，表层的晶粒明显变细，平均晶粒尺寸由原来的10μm缩减到3μm左右，经过疲劳试验再次证实，超声冲击处理之后，构件的疲劳寿命增长了30%，有效地遏制了裂纹的出现和发展。
4、裂纹抑制效果验证
采用优化后的工艺参数、改变后的材料成分及后处理工艺，制备高铝钛镍基高温合金试样，与原工艺制备的试样进行对比，采用多种检测手段对试样进行检测，验证裂纹抑制效果。使用金相显微镜对试样的微观组织进行观察，放大倍数为500倍。观察到原始试样的晶粒比较粗大，在晶界处有大量的低熔点共晶相;优化后的试样晶粒更细小均匀，在晶界处低熔点共晶相的含量明显减少。再用图像分析软件对晶粒尺寸进行统计，原始试样的平均晶粒尺寸为50μm，优化后试样的平均晶粒尺寸降低到20μm左右。用X射线衍射仪去分析残余应力，由其检测得知，原始试样的残余应力达到了400MPa之高，而经优化后的试样残余应力则降至了150MPa之下，由于优化以后试样的残余应力有着大幅度的下降，这使得其内部应力集中的现象得以缓解，裂纹产生的概率也由此有所降低。然后使用扫描电子显微镜来观测裂纹形态，加速电压设为了20kV，由观察可知，原始试样的裂纹呈现出穿晶与沿晶相结合的特点，且裂纹宽度比较大，并且它的裂纹表面比较粗糙。相反地，经过优化后的试样的裂纹扩展得到了明显的抑制，其裂纹长度与宽度都被显著缩减，裂纹表面相对而言较为平滑些。综合各项检测结果可以看出，通过优化工艺参数、调整材料成分、改善后处理工艺，大幅度提升了高铝钛镍基高温合金激光增材制造构件的质量，抑制了裂纹的产生与扩展。
5、结语
本文详细探究了高铝钛镍基高温合金激光增材制造出现裂纹的成因，通过剖析工艺参数，材料成分以及后续加工工艺对裂纹形成的影响，给出切实可行的裂纹抑制策略，试验结果显示，改良工艺参数，改变材料成分，改善后续加工工艺，可有效地减小裂纹率，提升构件品质，不过，高铝钛镍基高温合金激光增材制造中裂纹抑制仍然是一项较为繁杂的工程，以后还需不断加强对合金成分和工艺参数的协同作用机理的研究，探寻新的后处理方法，从而做到更高的品质的构件制造，促使高铝钛镍基高温合金激光增材制造技术在航空航天等范畴得到更为广泛的运用。
参考文献
[1]雷远涛.钛铝含量对激光熔覆IN718基合金组织性能的影响[D].湖南:南华大学,2023.
[2]谭宇璐.金属增材制造TiAl合金组织结构及高温性能研究[D].广东:广东工业大学,2022.
[3]彭徽,陶申,陈博,等.电子束选区熔化(SEBM)增材制造高温合金研究进展[J].中国材料进展,2022,41(4):252-267.
[4]张再云，刘印刚，李淼泉.激光增材制造316L及IN718的原位合金化及其微观组织与力学性能研究[J].铸造技术,2025,46(2):160-166.
[5]西安交通大学,西安华铼天新材料有限公司.一种高铝钛镍基高温合金彭徽，陶申，陈博，等.电子束选区熔化(SEBM)增材制造高温合金研究进展[J].中国材料进展,2022,41(4):252-267.[D].北京:北京交通大学,2008.
（注，原文标题：高铝钛镍基高温合金激光增材制造裂纹抑制研究）
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