综述：通过激光增材制造技术制备的镍基超合金基复合材料：近期进展的综述及挑战的克服

《Journal of Alloys and Compounds》：Nickel-based superalloy matrix composites fabricated by laser additive manufacturing: A critical review of recent advances and overcoming challenges

本文综述了激光增材制造（LAM）技术在镍基超合金复合材料（NSMCs）中的应用，探讨其复合结构设计、制造工艺及性能优化，并分析当前挑战与未来发展方向。

　　

传国|王静晨|王彦敏|王迪|谭朝林|张浩奇|陈鹏|孙金星|吕泽平

中山大学先进制造学院，中国深圳518107

摘要

激光增材制造（LAM）已成为制造具有复杂几何形状和优异性能的金属及合金零件的关键方法，尤其是镍基超级合金，这类合金以其卓越的高温性能而著称，在航空航天发动机、工业涡轮机和核反应堆等高要求应用中不可或缺。最近的进展主要集中在LAM过程中集成增强材料以提升材料性能。为了为镍基超级合金基复合材料（NSMCs）的LAM工艺奠定坚实基础，本综述深入探讨了其制备和分析的最新进展。首先介绍了各种LAM技术，并对镍基超级合金进行了详细分析；随后讨论了基于不同添加材料的复合类型，重点阐述了这些添加材料在减少裂纹以及改善机械性能和表面性能方面的作用；最后指出了存在的问题，并提出了未来研究的方向。这些见解对于各个领域的研究人员和工程师都具有价值，因为这里介绍的防裂技术和强化原理同样适用于其他合金体系。

引言

增材制造（AM），通常被称为三维（3D）打印，近年来作为一种现代生产技术获得了显著的发展[1]。与传统减材制造相比，AM采用“自下而上”的方法，通过逐层沉积材料来构建实物[2]、[3]。该技术利用数字模型将虚拟设计转化为实物产品，显著提升了制造效率、成本效益、设计灵活性和材料利用率。AM的核心原理是将3D数字设计转化为塑料、金属、陶瓷甚至生物材料的逐层沉积指南，然后通过熔化或固化过程形成最终产品[4]。这种方法不仅提高了生产效率，还使得制造高度复杂和定制化的设计成为可能，而这些设计使用传统方法难以或无法实现[5]、[6]。

镍基超级合金是广泛应用于航空航天、能源等高温行业的高性能材料[7]、[8]。这些领域的部件往往需要流体冷却，因此复杂的形状使得AM成为理想的生产选择。已经有很多关于镍基超级合金增材制造的研究，包括Hastelloy X[9]、[10]、Inconel 718 (IN718)[11]、[12]、Inconel 625 (IN625)[13]、[14] 和 Inconel 738LC (IN738LC)[15] [16]等合金。某些合金由于在增材制造过程中快速冷却形成的独特内部结构而表现出优异的性能[17]。然而，随着行业对性能要求的不断提高，单一合金已不再足够，这推动了金属基复合材料（MMCs）的发展。

MMCs是一类先进的材料，通过将金属基体与增强相结合来实现优异的性能。这些复合材料通过在连续的金属框架中嵌入陶瓷颗粒、 whiskers或纤维来制备。这种增强策略提高了复合材料的刚性、强度、硬度、耐磨性和热稳定性[18]，使其非常适合在恶劣环境中的高性能应用。与传统材料相比，这些复合材料能够减轻重量，同时保持或提升性能，这对于需要轻量结构的航空航天、汽车和国防应用来说是一个关键优势[19]。

最近，研究人员开始关注使用AM技术，特别是LAM来制造NSMCs。本综述首先概述了LAM和镍基超级合金的基础知识，然后总结了使用LAM制造的NSMCs的最新趋势和发展，重点关注了其在不同行业中提升机械性能和抗氧化性能方面的应用。此外，还涵盖了制备技术和纳米增强颗粒的掺入方法，并指出了LAM处理NSMCs所面临的挑战及未来研究的方向。

部分摘录

概述

金属和合金的LAM是一种创新工艺，利用高能激光束逐层熔合金属粉末，从而根据数字设计数据构建3D物体[20]。这种方法能够生产出使用传统方法难以或成本高昂制造的复杂形状[15]、[21]。通过精确控制激光能量，LAM能够以高精度、高效率和良好的设计精度将数字设计转化为实物零件。

概述

航空航天行业需要优异的高温强度、抗氧化/耐腐蚀性以及长期稳定性[41]。镍基超级合金满足了这些要求，特别是在静态、疲劳和蠕变载荷条件下，使其成为涡轮叶片和燃烧室等关键部件的理想选择[11]、[42]。镍基超级合金的工作温度超过800°C，因此对于涡轮盘和叶片等高应力部件至关重要

概述

NSMCs的LAM代表了材料科学和制造技术的一项重大进步，这类复合材料由镍基超级合金基体与陶瓷、碳化物、氮化物或石墨颗粒增强[165]、[166]。通过使用LAM技术，特别是LPBF和LDED技术，可以精确控制这些增强相在微观结构层面的组成、分布和取向，从而减少内部缺陷

总结、挑战与展望

在过去几十年中，LAM在工业和学术领域都取得了显著进展。这些发展涵盖了原材料、设备、技术和整个工艺系统，促进了大规模的应用[263]。特别是镍基超级合金的LAM已在多个高关注度行业中得到广泛应用，尤其是在航空航天领域。这些部件包括涡轮叶片、燃料喷嘴等

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文报告工作的财务利益或个人关系。