北工大、西工大联合《Acta Materialia》：共晶自愈合实现增材制造高温合金无裂纹成形与性能提升！

增材制造（AM）已迅速崛起为一种近净成形制造技术，能够高效且灵活地制造复杂金属部件。尽管优势显著，AM仍面临重大挑战。其固有的、基于熔池的独特凝固过程对冶金质量控制提出了严格要求。目前，仅有有限种类的合金能够在AM加工中不产生严重冶金缺陷。其中，热裂纹仍然是最难补救的缺陷之一。

高温合金通常具有为高性能而优化的复杂多元化学成分。在AM的快速凝固过程中，这些成分会导致复杂的热力学行为，并常常形成一个宽广的糊状区。在反复加热和冷却的作用下，该半固态区域容易发生失效，从而导致热裂纹。

一种常见的减轻热裂纹的策略是通过诸如添加形核剂、施加超声场或优化工艺参数等方法细化晶粒。增加晶界密度可以分散单个晶界上的热应力，从而降低裂纹形成的可能性。然而，需要注意的是，在高温合金典型应用的高温环境下，这些晶粒细化策略可能并非最优选择，因为细化的晶粒会对蠕变和高温力学性能产生不利影响。另一种思路是通过调整合金成分来直接控制凝固路径。越来越多的研究认识到，一系列合金元素，如铝（Al）、钛（Ti）、硼（B）、碳（C）、锆（Zr）、硅（Si）甚至氧（O），会通过偏聚到晶界并形成包括共晶或硼化物在内的晶间低熔点相，从而显著增加热裂纹敏感性。减少或消除这些元素被广泛认为是抑制裂纹形成的有效策略。然而，鉴于其中某些元素对于维持高温合金的高温性能至关重要，这种方法面临着一个两难困境：为确保无裂纹制造而牺牲了关键性能。此外，也有研究探索引入合金核心组分之外的外部元素来改变凝固特性，以期降低热裂纹敏感性。然而，外部成分优化所带来的不可预测的连锁效应，需要进行大量的实验来验证改性合金的性能可靠性。总体而言，开发简单有效的方法来抑制AM高温合金中的热裂纹，同时不损害其原有性能，仍然是一个至关重要的目标。

西工大和北工大团队在本研究中展示了一种通过在AM高温合金中利用固有共晶液体的回填潜力来抑制热裂纹的新策略。研究以哈氏合金（HX）为模型合金，研究结果显示，微量碳——其对三元共晶碳化物的形成至关重要——强烈影响着共晶相的体积分数。有趣的是，虽然一定量的共晶液体会导致连续的晶界润湿并加剧热裂纹，但当共晶分数进一步提高时，会触发一种强劲的液态补缩机制。过量的液体有效填充了裂纹萌生过程中由应力引发的间隙，从而抑制了裂纹扩展。得益于碳相较于其它合金元素更低的凝固分配系数（k = 0.21），这种显著的偏聚潜力使得通过微妙的成分改变即可实现强大的抗裂纹能力。受益于此，无裂纹样品在强度增强的同时并未牺牲塑性，这可归因于碳化物分数的提高以及堆垛层错、Lomer-Cottrell锁以及形变孪晶等多种动态硬化行为的共同作用。

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主要附图

图1. 热裂纹特征。(a) 光学显微镜图像。(b) 根据不同样本得出的平均裂纹密度统计分析结果。(c) 热裂纹：(1) 0.085C样品中典型裂纹表面的SEM显微照片；(2) 0.085C样品中典型裂纹的EBSD反极图图像；(3) 裂纹晶界处相邻晶粒间取向差角的统计直方图。

图2. 具有代表性碳含量的沉积态HX微观结构表征：(a) 0.054C, (b) 0.085C, (c) 0.145C, (d) 0.250C。(e) 显示三元共晶形貌的HAADF图像以及主要元素的相应EDS结果。(f) 高分辨率图像：(1) 原子微观结构；(2) M6C的FFT花样；(3) M23C6的FFT花样。

图3. 溶质元素的偏聚。(a) SEM-BSE图像显示横截面上的胞晶结构；(b) (a)图中的EDS线扫结果；(c) 沿着热裂纹随机选取的一个普通晶界的APT重构结果；(d) 沿蓝色箭头的详细溶质分布。

图4. 裂纹表面和尖端的微观组织。(a) 共晶碳化物：(1) 共晶碳化物的SEM图像。(2) HAADF图像和EDS面分布图。(3) 高分辨率图像。(b) 共晶M23C6碳化物：(1) SEM图像显示裂纹表面密集分布的M23C6颗粒。(2) HAADF图像和EDS面分布图表明M23C6中Cr和C的富集。(3) 高分辨率图像，显示M23C6和γ基体之间的原子界面。(c) SEM-BSE图像和EDS面分布图显示裂纹尖端处破裂的液态膜残留物及溶质富集。(d) (1)中的EBSD反极图图像及其(2)中对应的KAM分布图，揭示了热裂纹尖端的再结晶晶粒和应力集中。(e) 在双束衍射条件下获取的TEM图像。

图5. 不同样品的力学性能。(a) 工程应力-应变曲线。(b) 强度和延展性随碳含量增加的变化趋势。(c) 应力-应变曲线和加工硬化率曲线。

图6. 0.145C样品的变形行为。(a) 多系平面位错滑移。(b) 通过电子通道衬度像观察到位错在共晶碳化物附近积累。(c) 通过TEM检测观察到位错滑移在先共晶M23C6处受阻。(d) HR-TEM图像显示堆垛层错和L-C锁。(e) HR-TEM图像显示堆垛层错束和9R相。(f) 明场TEM图像显示变形孪晶。(g) (f)的对应HR-TEM图像。

图7. 不同样品的断口形貌分析。(a-g) 分别对应不同碳含量样品的断裂特征。(h) 和 (i) 分别显示了0.054C和0.250C样品中平行于应力截面的额外断裂形貌。

图8. 裂纹萌生与抑制机理示意图。(a) 不同溶质浓度下柱状枝晶凝固过程中的团聚状态。(b) 凝固末期残余共晶液态特征的软件建模。(c) 不同碳含量下共晶碳化物体积分数的变化。(d) Cr、Mo和C的溶质富集度。(e), (f), (g) 分别使用Pandat软件计算的不同C、Mo、Cr含量下的Scheil-Gulliver凝固曲线。

图9.(a) 镍基高温合金中常见合金元素的统计凝固分配系数。(b) 利用具有显著偏聚潜力的元素促进共晶形成以抑制裂纹的示意图。(c) SEM-BSE图像显示添加0.05 wt.%硼的0.085C样品中，枝晶间区域大量共晶的分布：(1) 纵截面，(2) 横截面。(d) HAADF图像显示富Mo的M3B2硼化物、富Cr的M23C6碳化物和γ基体的共晶组织。(e) (d)的对应EDS面分布结果。(f) (d)中黄色圆圈位置的SAED花样。(1) M3B2硼化物；(2) M23C6碳化物。

主要结论

揭示了增材制造HX合金中一种固有的热裂纹抑制能力，使得无需进行大量的成分优化即可制造完全致密的无裂纹组织。这一发现的核心在于低熔点三元共晶液体的双重功能：既是热裂纹的贡献者，也是裂纹的"愈合剂"。这种裂纹抑制机制关键依赖于在凝固最后阶段维持足够的共晶分数。碳的超低分配系数驱动了这一现象：即使微妙的碳波动也能通过优先偏聚指数级地放大共晶形成，从而增强其回填和防止裂纹产生的能力。具体而言，需要实现超过3 vol.%的共晶碳化物分数——对应于约0.145 wt.%的碳含量阈值——才能有效利用共晶形成来抑制热裂纹。同时，增加的碳化物分数也提供了同步强化。多种动态强化机制，包括堆垛层错、L-C锁和变形孪晶，使得抗裂纹样品表现出强韧兼具的特性。

作者简介

杨鲁岩，工学博士，北京工业大学材料科学与工程学院副研究员/硕士生导师。2018年博士毕业于西北工业大学材料学院、凝固技术国家重点实验室，2019年至2023年在德国亥姆霍兹联合会于利希研究中心从事博士后研究。近年来，在Nature、Nature Physics、Advanced Materials、Acta Materialia等重要学术期刊发表SCI论文三十余篇，主持国家自然科学基金青年项目、北京市自然科学基金面上项目、中国博士后科学基金面上一等资助项目等，作为骨干成员参与欧盟“地平线2020”计划项目、德国DFG项目、国家自然科学基金基础科学中心、国家重点研发计划、北京市基金重点研究专题项目等。

个人资料来源：

钟宏，西北工业大学材料学院副教授。依托凝固技术国家重点实验室高纯材料与单晶生长团队，主要研究方向包括：1、高纯材料与单晶生长；2、先进结构材料取向生长；3、材料结构与性能表征。先后主持/完成国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年、航空科学基金等项目10余项，发表包括Nature Communications 、Applied Materials & Interfaces、Mater Sci Eng A 、Intermetallics等在内的SCI学术论文90余篇。

个人资料来源：

李双明，西北工业大学材料学院教授，博士生导师，入选教育部新世纪优秀人才支持计划。主持国家基金3项，教育部博士点基金、973子项目。 发表学术论文70余篇，SCI摘录40篇，获得发明专利3项，参加的项目“特种金属材料电磁约束成形原理和技术”获陕西省科学技术一等奖。 

个人资料来源：

毛圣成，北京工业大学材料科学与工程学院研究员、博士生导师，国家杰出青年科学基金项目获得者，材料微结构与性能研究领域专家。兼任中国电子显微镜学会（对外）副秘书长。现主要从事多主元合金（高熵合金）、高温合金、透射电子显微学原位实验方法等研究工作，从材料微观结构设计角度出发，开发高强韧金属合金材料。主持了国家杰出青年科学基金、国家基础科学中心重点课题、国家重点研发计划课题、国基金面上项目等20余项国家和省部级项目。以第一/通讯作者在Nature、Nature Communications、Acta Materialia等期刊上发表学术论文100余篇，授权中国专利40余项，美国专利2项。

个人资料来源：

韩晓东，教授，中国电子显微镜学会理事长，国家杰出青年基金获得者（2008年）、教育部 重大人才项目入选者（2012年）、新世纪百千万人才工程国家级人选（2009年）、“北京留学人员创新创业特别贡献奖”获得者（2012年）、科技创新与科技创业领军人才（2016年）、北京市高层次创新创业领军人才（2017年）等。韩晓东在国际领域原创地发展了材料力学行为研究的原子尺度原位表征方法与技术，在原子尺度原位系统研究了面心立方结构材料及高温材料在室温及高温热力耦合条件下材料弹塑性变形机理。在国内外重要学术期刊发表论文280余篇，其中包括：Science 4篇, Nature Materials 3篇, Nature Communications 12篇， Physical Review Letters 5篇，Acta Materialia 18篇等，SCI总被引14000余次。作为项目负责人主持了国家自然科学基金重点项目 (240万)、科学仪器基础研究专项 (280万)、国家重大科研仪器设备研制专项课题 (2000万)、国家自然科学基金基础科学中心项目子课题（1000万）、航空发动机重大研究计划 (350万)、北京市创新团队(900万)等20余项国家和省部级项目。培养全国百篇优秀博士论文奖及提名奖各1项，北京市优秀博士论文奖4项。研究成果入选2020年国家自然科学二等奖，2016年北京市科学技术奖一等奖（基础研究类），中国高等院校十大科技进展等。组织团队开展显微组织结构大数据研究，量子（X-ray光子与高能电子）信息识别与表征，单量子体系材料物理与化学问题研究等。

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