快速凝固高合金化镍基高温合金粉末的多应用研究：冷却速率越高，材料越软？

本研究针对高合金化镍基高温合金粉末在增材制造(AM)、宽间隙钎焊(WGB)和热等静压(HIP)等多场景应用中的性能调控难题，通过高能同步辐射X射线衍射(HESXRD)、双束FIB、透射电镜(TEM)和纳米压痕(NI)等表征技术，首次发现105℃/s超快冷却会抑制γ′相析出导致粉末硬度降低29.5%，颠覆了传统"快冷增硬"认知，为多工艺合金粉末选型提供了关键理论依据。

　　

在航空发动机和能源装备领域，镍基高温合金如同"金属心脏"般支撑着极端环境下的稳定运行。传统认知中，金属材料遵循"冷却越快硬度越高"的黄金法则，但北京航空材料研究院的科研团队在最新研究中却发现了令人惊讶的悖论现象：当高合金化镍基粉末以10⁵℃/s超快冷却时，其硬度竟比慢速冷却的粉末降低近30%。这项颠覆性发现发表在《Materials》期刊，为多工艺协同的合金设计提供了全新视角。

研究人员采用高能同步辐射X射线衍射(HESXRD)解析相组成，通过双束聚焦离子束(FIB)制备透射电镜样品，结合纳米压痕技术定量表征力学性能。针对不同粒径粉末(Φ<32μm和100-150μm)及AM、WGB、HIP制备的块体合金，系统比较了γ′强化相和MC碳化物的析出行为。

粉末微观结构揭示粒径决定命运：粗粉(100-150μm)中清晰可见纳米级γ′相和MC碳化物，而细粉(<32μm)仅存痕量。同步辐射结果印证TEM观察，超快冷却(1.2×10⁵℃/s)细粉的γ′相衍射环几乎消失。

冷却速率计算建立量化关系：通过枝晶臂间距(DAS)反推，细粉冷却速率比粗粉高2-5个数量级。令人意外的是，硬度呈现反向关联——细粉仅6.65GPa，显著低于粗粉(8.61GPa)和块体合金(8.19-9.32GPa)。

γ′相与硬度的博弈机制：传统理论中，快冷应增加过饱和固溶强化，但本研究显示γ′相含量才是硬度主宰。细粉中γ′形成元素(Ti、Nb、Ta)的扩散被冻结，导致强化相析出受抑。即便粗粉γ′含量不足10%，其<10nm的超细尺寸仍带来显著强化。

工艺-性能图谱的绘制具有重要工程价值：研究发现AM(4.1×10²℃/s)和WGB(11℃/s)工艺的硬度相当，而HIP经超溶热处理后硬度达峰值9.32GPa。这为修复工艺选择提供依据——需要高强度时优选HIP，追求效率则可考虑AM。

这项研究打破了高温合金领域"快冷必硬"的思维定式，首次证实冷却速率超过临界值(10⁵℃/s)时，γ′相抑制效应会超越固溶强化优势。该发现不仅解释了粉末冶金中的硬度异常现象，更指导了多场景应用的粉末粒径选择——当需要保留粉末原始性能时应选用粗粉，而需要后续热处理的场合则细粉更具优势。北京航空材料研究院的这项工作，为航空发动机关键部件的"量体裁衣"式制造提供了重要理论支撑。