激光定向能量沉積（LDED）兼具近凈成形和再制造修復的雙重優勢，在鎳基高溫合金構件的高效制造與延壽方面展現出巨大潛力。然而，多數高性能鎳基高溫合金在LDED非平衡凝固的熱物理條件下表現出極高的裂紋敏感性。因此，針對這種非平衡凝固過程，建立準確的“合金成分-本征開裂敏感性”的定量判斷準則，對指導開展高溫合金的高質量增材/修復時的成分篩選和合金設計具有重要意義。

針對上述問題，南京航空航天大學激光焊接與再制造技術研究所提出了鎳基高溫合金LDED新開裂準則，實現了獨立于商用熱力學軟件的本征裂紋敏感性指數化計算。該項研究成果以“A new cracking criterion for additive manufacturing and repair of Ni-based superalloys via laser directed energy deposition”為題發表于《Acta Materialia》。博士生關肖虎為論文第一作者，通訊作者為王磊磊副教授，占小紅教授。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122400

相同的LDED工藝參數下，鎳基高溫合金的開裂傾向與成分密切相關。寬工藝窗口下In738的裂紋始終存，說明相比工藝參數的優化，鎳基高溫合金的成分是LDED開裂敏感性的決定因素。且LDED中裂紋類型為凝固裂紋、固態裂紋、液化裂紋混合的開裂模式。

圖1 In738在LDED中的混合開裂模式

裂紋位置位于高角度晶界。然而高角度晶界比低角度晶界裂紋敏感性更高的規律，可預測固有裂紋敏感性高的合金中裂紋發生位置。但卻無法解釋與In738成分類似的In939等合金在LDED過程中不發生開裂的現象。因此高角度晶界比例與本征裂紋敏感性之間并無必然聯系。

圖2 裂紋位置的EBSD及晶界能分析

EPMA結果顯示，合金元素顯著向枝晶間區域偏析，且裂紋沿著偏析路徑擴展，這說明開裂與溶質分配引起的合金元素偏析聯系密切。而LDED的非平衡凝固特征使得基于“無擴散”假設的Scheil模型成為描述該過程溶質分配最理想的物理框架。基于該假設結合高精度EPMA數據通過方差擬合，可求解出鎳基高溫合金各合金元素LDED過程的特征溶質分配系數k，該方法對局部溶質波動不敏感，計算得到的k值具有較高的魯棒性?？勺鳛橐环N普遍的溶質分配系數精確求解方法。

圖3 裂紋位置的元素分布及溶質分配系數求解

圖4 溶質分配系數擬合求解方法

元素初始濃度和與溶質分配系數共同導致液相中正偏析元素濃度的升高，進一步導致枝晶間液相殘留，該液相面積Se可以作為一種全新的凝固開裂描述符，并能間接衡量液化裂紋敏感性。

圖5 初始成分與溶質分配系數共同作用下的凝固裂紋機理

利用矩陣空間變換的數學方法簡明嚴格的證明了熱力學凝固路徑與枝晶生長幾何空間的仿射變換關系。在這一數理新見解上，可通過熱力學凝固路徑信息解析求解Se值作為凝固開裂敏感性指數，該指數也可間接指示液化裂紋敏感性。

圖6基于雙晶模型的LDED凝固開裂準則數學解析示意圖及描述符矩陣變換

通過連貫的解析推導建立了新凝固開裂準則極其指數化計算，其中2λ為一次枝晶臂間距，G為溫度梯度，Ts為每一fs下的液相固相線溫度。該準則在凝固末期時迅速收斂，克服了以往準則在凝固末期的指數化計算不收斂問題，且可間接指示液化裂紋敏感性。

圖7 通過微積分解析推導可求得Se的計算解析式

進一步研究發現應變協調是固態開裂的一個關鍵特征。整體應力水平由熱應力和相變應力決定，其中較高的應力會直接加劇固態裂紋敏感性（ICS）。此外，枝晶間固溶強化和γ’析出強化差異所導致的應變屏蔽效應會增加應變局部化程度從而增加ICS。通過建立ICS準則作為補充判據，成功建立了一個更為全面的 LDED開裂敏感性評估綜合框架。結合Se指數可綜合評價鎳基高溫合金LDED本征裂紋敏感性，且不依賴商用熱力學軟件，顯著降低了計算成本。這為鎳基高溫合金的LDED增材/修復提供了明確的選材標準，并在高通量成分設計與抗開裂成分篩選方面展現出顯著的應用潛力。

圖8 固態裂紋敏感性示意圖

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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