導(dǎo)讀：近年來，激光粉末床熔融（Laser powder bed fusion, LPBF）技術(shù)逐漸替代鑄鍛等傳統(tǒng)制造方法，成為航空航天發(fā)動機復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的新制造形式。然而，由于超快的非平衡凝固速率，目前適用于傳統(tǒng)制造的鎳基合金在成形過程中出現(xiàn)了微裂紋，制約了結(jié)構(gòu)件的可靠應(yīng)用。在眾多耐高溫鎳基合金中，Haynes 230（國產(chǎn)牌號GH3230）作為一種可以在1000℃長期服役的耐氧化、抗蠕變合金，在發(fā)動機熱端具有良好的應(yīng)用優(yōu)勢，而其高合金化也使得開裂更為顯著。為解決高溫合金的開裂問題，哈爾濱工業(yè)大學(xué)宋曉國教授團隊聯(lián)合北京動力機械研究所、南京理工大學(xué)、西安石油大學(xué)、山東省船舶技術(shù)研究院和日本大阪大學(xué)，利用LPBF高自由度加工熱性，共同開發(fā)了激光原位重熔工藝，通過控制重熔策略實現(xiàn)了LPBF制備Haynes 230合金裂紋的愈合。

LPBF制造GH3230合金在凝固過程由于存在低熔點液膜，使得枝晶兩側(cè)難以橋接，在凝固收縮過程中液膜發(fā)生開裂而少量的殘余液態(tài)金屬難以及時調(diào)控補縮，進而形成凝固裂紋。由于合金成分限制，單次激光加工的凝固開裂難以避免。凝固裂紋主要出現(xiàn)在熔池中心晶界，該處晶界平直且凝固過程糊狀區(qū)較長。因此，抑制熔池中心的凝固開裂是實現(xiàn)合金良好成形的關(guān)鍵，而關(guān)鍵措施在于促進液態(tài)金屬的補縮。

針對上述分析，哈工大宋曉國團隊提出開發(fā)原位重熔工藝。基于裂紋出現(xiàn)位置和兩端尖中間寬的形態(tài)特征，通過控制重熔深度為原熔池深度的70-80%，實現(xiàn)原熔池的部分重熔，同時開裂區(qū)的大部分也被重熔。在重熔過程中，原糊狀區(qū)長度顯著減小，因此熔池內(nèi)大量液態(tài)金屬可以流入原開裂晶界內(nèi)部，從而緩解原晶界的溶質(zhì)元素偏析并提高晶界熔點，避免凝固開裂再次發(fā)生。重熔試樣的晶界元素偏析得到顯著緩解，而析出相也發(fā)生轉(zhuǎn)變，證實了本研究的液態(tài)金屬回填愈合裂紋方法。此外，重熔過程也增加了熔池輪廓數(shù)量，減緩了晶粒的外延生長，從而促進了晶界鋸齒系數(shù)的增加。晶界的鋸齒化形成又可以輕微地緩解晶界應(yīng)力集中，這個作用本證明可以抵消重熔熱輸入帶來的殘余應(yīng)力增大。重熔試樣的裂紋被顯著抑制，且合金的強度和塑性也得到同步提升。

研究成果以“In-situ remelting induced healing of cracks and strength-ductility synergy in additively manufactured Haynes 230 alloy”為題，發(fā)表在增材制造頂刊《Additive Manufacturing》，中科院一區(qū)Top期刊，影響因子10.3。論文第一作者為博士生席鑫，通訊作者為哈工大林丹陽副教授。該工作得到了國家然科學(xué)基金、山東省自然基金、山東省泰山學(xué)者青年專家等基金的資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2025.104638

圖1 重熔策略及裂紋抑制效果

圖2 未重熔試樣和三種重熔試樣的熔池形貌和開裂位置

圖3 未重熔試樣和重熔試樣晶界的元素偏析

圖4 未重熔試樣和重熔試樣的析出相特征

圖5 重熔試樣裂紋愈合機制

本研究提出的原位重熔策略愈合裂紋方法繞過了通過改變合金成分來抑制裂紋的技術(shù)障礙，利用LPBF加工的自由可調(diào)控加工特征實現(xiàn)了近無裂紋試樣的制備，對多合金體系的裂紋抑制具有普適性，避免了成分調(diào)控帶來的合金固有性能顯著變化，有助于拓寬LPBF制備合金在航空航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。近年來，宋曉國教授團隊在激光增材制造領(lǐng)域開發(fā)了一系列性能優(yōu)異的高溫合金和高熵合金，并針對增材制造加工過程、后處理及力學(xué)性能評價等方向取得了一系列原創(chuàng)性研究成果，為推動增材制造高性能合金的發(fā)展和工業(yè)應(yīng)用做出了重要貢獻。

【作者簡介】

團隊帶頭人：宋曉國，教授/博導(dǎo)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）材料學(xué)院院長，山東省特種焊接技術(shù)重點實驗室主任。擔(dān)任中國焊接學(xué)會青年委員會主任、高校焊接專業(yè)黨支部書記論壇主任委員，中國材料研究學(xué)會超聲材料科學(xué)與技術(shù)分會常務(wù)副主任，中國有色金屬學(xué)會有色金屬焊接與連接分會副主任。先后入選山東省青年專家學(xué)者、國家高層次青年人才計劃。主要從事先進材料及異種材料連接技術(shù)及裝備方向的研究，承擔(dān)國家自然科學(xué)基金、國家科技重大專項、山東省杰出青年基金項目、裝發(fā)預(yù)研等科研項目40余項，在Carbon、Scripta Materials等材料加工領(lǐng)域期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文200余篇；授權(quán)發(fā)明專利40余項。獲中國機械工業(yè)學(xué)會特等獎1項、中國有色金屬學(xué)會一等獎1項及其他省部級科技獎勵4項。

通訊作者：林丹陽，副教授/博導(dǎo)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）材料學(xué)院院長助理，入選山東省青年人才托舉工程，主要從事先進材料激光增材制造、新材料及異種材料連接等方面的研究。在工程技術(shù)類最頂級期刊《International Journal of Plasticity》、《Additive Manufacturing》、《Composites Part B: Engineering》等發(fā)表SCI論文五十余篇；授權(quán)國家發(fā)明專利二十余項。近三年主持國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃子課題、山東省自然科學(xué)基金、國家重點實驗室重點項目、天津市科研創(chuàng)新項目、橫向合作等課題十余項。

第一作者：席鑫，哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院博士生，從事高溫合金及復(fù)合材料的激光增材制造和激光焊接研究，在《Additive Manufacturing》、《Composites Part B: Engineering》等中科院一區(qū)頂刊發(fā)表SCI論文二十余篇，申請專利十余項，獲得博士國家獎學(xué)金。