第一作者：王優(yōu)

通訊作者：張宏強,郭偉

通訊單位：北京航空航天大學機械工程及自動化學院

論文DOI：https://doi.org/10.1080/17452759.2025.2504079

1.全文速覽：

本研究通過在激光粉末床熔融（LPBF）制備的 Haynes 230 合金中添加微量鑭（La），有效緩解了裂紋抑制引發(fā)的高溫塑性損失問題。La的引入顯著提升了合金在室溫和高溫下的力學性能，HIP處理后在 900°C 的伸長率顯著增加。性能改善源于復(fù)合析出相、納米孿晶和均勻分布的La?O?析出物，這些結(jié)構(gòu)抑制位錯滑移并增強塑性。DFT計算揭示La?O?與基體間非晶界面可釘扎位錯源。研究為 LPBF Haynes 230 合金的高溫服役優(yōu)化提供了新思路。

2.研究背景：

Haynes 230鎳基高溫合金具有優(yōu)異的高溫強度和熱穩(wěn)定性，適用于工作溫度達1000 ℃的熱端部件。針對航空熱端部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點，LPBF技術(shù)以其高精度、設(shè)計自由度高、材料利用率高等優(yōu)勢，成為制造復(fù)雜零部件的理想手段。但在 LPBF制備Haynes 230合金過程中，易出現(xiàn)微裂紋，限制其應(yīng)用。盡管已有添加Mo、TiB?、Nb等元素以抑制裂紋的研究，但這些方法常伴隨性能下降或工藝局限，如強度與塑性難以兼顧、納米陶瓷分布不均、組織劣化等問題。熱等靜壓（HIP）處理雖可修復(fù)裂紋，但也可能引發(fā)偏析和粗大析出物，影響高溫性能。近年來，稀土元素特別是La因其在晶界形成穩(wěn)定氧化物、促進晶粒細化、提升抗氧化性和延展性等優(yōu)勢，在高溫合金中的應(yīng)用逐漸增多。但其具體作用機制尚不明確。本研究在 Haynes 230 合金中添加 0.5 wt.% La，通過LPBF制備與HIP處理，系統(tǒng)研究其對裂紋抑制及高溫拉伸性能的影響，旨在解決高溫塑性損失問題，并為增材制造高溫合金的組織調(diào)控與性能優(yōu)化提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

3.本文亮點：

(1) 本研究首次研究添加La元素的LPBF-Haynes 230合金高溫性能并解決其塑性損失問題。

(2) 復(fù)合析出相、納米孿晶和層錯的形成有效增強了合金的高溫力學性能。

(3) La?O?析出物在基體中彌散分布，有效釘扎位錯滑移，從而提升高溫強度。

(4) DFT計算顯示La?O?與基體界面形成非晶層，生成Frank–Read位錯源提升高溫延展性。

4.圖文解析：

圖1. (a) 粉末形貌；(a1) 粒徑分布。(b) LPBF設(shè)備示意圖；(b1) 沉積態(tài)下的微裂紋分布。(c) HIP原理圖；(c1) HIP態(tài)下的微裂紋抑制。(d) 高溫拉伸試驗設(shè)備；(d1) 高溫拉伸試樣。

圖2. Ni 基體與 La?O? 界面模型

本研究首先介紹了LPBF制備La添加Haynes 230合金粉末和實現(xiàn)裂紋抑制的工藝過程，并建立Ni基體與La2O3界面模型開展密度泛函理論計算，以驗證界面平均電荷分布規(guī)律特性。試驗部分開展了不同溫度下拉伸性能測試，與沉積態(tài)相比，高溫力學性能得到顯著提升。

圖3. (a) 原始組分與改性組分在23?°C下HIP樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(b) 沉積態(tài)樣品的高溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(c) HIP樣品的高溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(d) 沉積態(tài)與HIP態(tài)樣品高溫拉伸性能的統(tǒng)計對比圖；(e) 本研究中Haynes 230合金與其工業(yè)標準在900?°C下力學性能的對比圖。

基于獲得的不同溫度下的拉伸性能，闡明了不同溫度下微觀組織演變與斷裂失效行為分析。確定復(fù)合析出相、不同組態(tài)孿晶界的生成以及納米顆粒的彌散分布成為性能改進的主要作用因素。

圖4. (a–a1) LPBF態(tài)下23?°C的孿晶分布圖、極圖（PF）與取向圖（IPF）；LPBF+HIP態(tài)下孿晶分布圖、PF與IPF圖：(b–b1) 23?°C；(c–c1) 500?°C；(d–d1) 700?°C；(e–e1) 900?°C；

(f–f1) 1100?°C。(g)孿晶體積分數(shù)統(tǒng)計圖；(h) 織構(gòu)強度統(tǒng)計圖。

圖5. (a)-(a1) 23?℃、(b)-(b1) 500?℃、(c)-(c1) 700?℃、(d)-(d1) 900?℃ 和 (e)-(e1) 1100?℃ 條件下的拉伸斷口側(cè)表面形貌、放大圖像及斷口區(qū)域附近的晶粒取向分布圖。

圖6. 斷裂區(qū)附近的微觀組織：23?°C下：(a) 復(fù)合析出相；(a1-a3) (a)中位置1-3的晶面間距及SAED圖；(a4) 位置1析出相的放大圖。900?°C下：(b) 復(fù)合析出相的形貌；(b1) 復(fù)合析出相的界面微觀組織；(c) 復(fù)合析出相的高倍圖及(c1) EDS分布圖；(d) 納米復(fù)合析出相及(d1) EDS分布圖；高分辨圖：(d2)位置8；(d3)位置9；(d4)位置10；(d5) 孿晶SAED圖。

圖7. La元素添加對微觀組織演化的作用機制：(a) La?O?的彌散強化機制；(b) 差分電荷圖與平面平均電子密度疊加圖；(c) 二維差分電荷圖；(d) 位錯滑移與La?O?之間的相互作用與增殖機制。

5．總結(jié)與展望：

本研究系統(tǒng)研究了裂紋抑制后采用激光粉末床熔融（LPBF）制備的 Haynes 230 合金的高溫性能。首次通過添加鑭（La）元素成功解決了該合金高溫塑性損失的問題，并建立了其高溫微觀組織演化與力學性能之間的關(guān)聯(lián)。主要結(jié)論如下：

• （1）經(jīng)HIP處理后，添加La的沉積態(tài)樣品在室溫下的延展性顯著提高，伸長率提升27.2%，高溫強度提高6%；在 900?°C下，伸長率由15.6% 顯著提升至60.4%。

• （2）隨著變形機制的轉(zhuǎn)變，基體中形成大量復(fù)合析出相，并伴隨納米級孿晶與層錯的產(chǎn)生。此外，形成了具有不同晶界結(jié)構(gòu)的退火孿晶，層錯在穿越退火孿晶界面時發(fā)生明顯方向變化，共同促進了塑性的提升。

• （3）隨著溫度升高，位錯密度降低，La 易與氧結(jié)合形成熱穩(wěn)定的 La?O? 粒子。DFT 計算證實，在 La?O?與基體界面處形成了非晶層，有利于位錯增殖。La?O? 粒子的均勻彌散顯著提高了合金在900?°C 下的延展性，溫度調(diào)控也促進了 La?O? 的析出行為。

• （4）合金的強化機制主要源于復(fù)合析出相、退火孿晶界以及均勻分布的La?O?粒子三者協(xié)同作用，共同抑制了位錯運動。

通訊作者：郭偉

郭偉，北京航空航天大學教授，博士生導(dǎo)師。主要從事航空航天關(guān)鍵結(jié)構(gòu)激光沖擊強化、增材制造、焊接等研究。在Acta Mater.、J. Mater. Sci. Technol.、Addit. Manuf.、Corros. Sci.、Int. J. Fatigue等國內(nèi)外期刊發(fā)表SCI學術(shù)論文200余篇，授權(quán)/公開國家發(fā)明專利50余項，主持國家重大科技專項、科工局基礎(chǔ)科研重大項目、國防科工局核專項、國家自然基金項目、MJ科研課題、LJ專項課題、工信部智能制造專項課題等科研項目30余項。獲得中國機械工業(yè)學會特等獎，中國能源研究會能源創(chuàng)新獎一等獎，中航發(fā)集團科學技術(shù)進步獎二等等獎勵。擔任全國光輻射安全和激光設(shè)備標準化技術(shù)委員會委員、中國機械工程學會焊接學會壓力焊專業(yè)委員會委員、焊接性及焊接材料專業(yè)委員會委員、青年工作委員會委員，先后培養(yǎng)40余名博士和碩士研究生。

通訊作者：張宏強

張宏強，北京航空航天大學副教授，博士生導(dǎo)師。主要從事航空航天關(guān)鍵結(jié)構(gòu)增材制造、釬焊及擴散焊、芯片封裝及微納制造等研究。在PNAS、AMI、JMST、AM、CS等國內(nèi)外期刊發(fā)表SCI學術(shù)論文100余篇，授權(quán)/公開國家發(fā)明專利30余項，參與撰寫專著1部，其研究成果獲評《Nature》期刊十大亮點研究論文。主持國家自然科學基金青年及面上、江西省面上基金、航空基金、國家重點研發(fā)子課題等10余縱向項目。

第一作者：王優(yōu)

王優(yōu)，北京航空航天大學在讀博士，師從郭偉教授、張宏強副教授。主要從事激光增材制造研究。已在JMST、AM、JAC等學術(shù)刊物發(fā)表SCI論文，授權(quán)/公開國家發(fā)明專利10余項，參與國防基礎(chǔ)科研計劃項目、國防科工局科研項目等項目研究工作。曾獲得“國家獎學金”、 “JMST年度優(yōu)秀論文”等榮譽。

7．引用文本

Wang Y, Guo W, Li H X,CuiHY,HanP P,Zhao D, Li S J, Li Y L, Huang S,Zhang H Q,High-temperature plasticity improvement by La addition during crack inhibition in laser powder bed fusion fabricated Haynes 230[J],Virtual and Physical Prototyping, 2025,20:2504079.

本文來自材料科學與工程公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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