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AM易道导语：
在航空航天制造领域，镍基高温合金一直扮演着不可替代的角色。其中，Inconel 718/GH4169凭借优异的综合性能，多年来一直是这个领域的常青树。然而，随着服役温度不断攀升，GH4169似乎开始力不从心。当温度超过650℃时，工程师们开始将目光转向了一位新秀：HAYNES 282合金。这两种合金虽然都属于镍基高温合金家族，但在性能特点上各有千秋。![]()
GH4169以出色的低温强度和良好的加工性著称，工作温度最高可达650℃；而HAYNES 282则在更高温度下展现出独特优势，即使在800℃以上的严苛环境中依然能保持优异的强度和稳定性。这种差异源于它们的成分设计：HAYNES 282通过添加铬和钴，在保持良好加工性的同时，显著提升了高温性能。相比GH4169，业界对于Haynes282的研究和热处理都略显不足。
尤其是在高温服役条件下，282合金3D打印件的性能始终无法企及传统锻造工艺的水平，特别是在垂直于打印方向的性能表现上。
2025年1月，《Materialia》期刊发表了来自瑞典查尔默斯理工大学的Abdul Shaafi Shaikh研究团队与芬兰伊奥斯公司合作，在高温合金增材制造领域取得新突破。
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他们通过创新的热处理工艺，成功使激光粉末床熔融（PBF-LB）制备的HAYNES 282合金的高温性能首次超越传统锻造水平。
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研究团队展开了细致的实验设计。
他们使用EOS M290激光粉末床熔融系统进行样件制造，使用HAYNES 282合金粉末，采用40微米的层厚参数进行打印。
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为了全面评估材料性能，研究人员制备了水平和垂直两个方向的试样，并与15.9mm厚的锻造板材进行对比。
这项研究的独特之处在于提出了三种不同的热处理方案，完全突破了传统的工艺思维定式。
下图为三种热处理制度以及对比组的锻造（灰色）热处理制度曲线。
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研究团队打破常规，设计了三种截然不同的热处理方案。在详细介绍这些方案之前，我们需要理解为什么传统的热处理方法难以满足增材制造HAYNES 282的需求。在增材制造过程中，材料经历了极其复杂的热历史，这导致组织中存在较高的残余应力和显著的组织异向性。第一个首先是被业界广泛采用的标准工艺方案（Sol_1135）。这种方案采用1135℃温度进行2小时固溶处理，随后进行1010℃/2小时和788℃/8小时的双级时效。研究团队通过系统的实验发现，这种处理方式虽然能够为材料带来较高的室温强度，但在高温服役条件下却难以发挥其潜力。第二个改进方案（Sol_1250）将固溶温度提升至1250℃。通过化学成分分析表明，PBF-LB制备的材料中，除了常规的合金元素（Ni-18.9Cr-9.6Co-8.8Mo-2.17Ti-1.50Al）之外，还存在微量的氧（0.010%）和氮（0.011%）。第三个更具创新性的是热等静压复合处理方案（HIP_1250）。在1250℃温度下，施加100MPa的等静压力，保温4小时。这种处理不仅能够愈合增材制造过程中形成的微观孔隙，更重要的是能够促进晶粒的定向生长和组织的均匀化。研究人员通过缺陷分析发现，这种处理将材料的缺陷率从原来的0.018-0.030%降低到了0.002%，同时最大缺陷尺寸也从100微米显著减小到12微米左右。这三种热处理方案后续都经过了相同的双级时效处理，这样的实验设计确保了时效组织的一致性，使研究团队能够清晰地识别出固溶处理温度对材料性能的影响。这种缜密的实验设计，最终帮助研究人员揭示了提升材料高温性能的关键因素。此表格总结了三种3D打印热处理制度以及与锻造的对比制度。
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当我们将电子显微镜的目光投向这些经过不同热处理的样品时，一些新发现浮现出来。![]()
在1250℃高温处理后，材料的微观世界发生了翻天覆地的变化。传统1135℃处理态下典型的柱状晶结构被打破，取而代之的是一种更加均匀和复杂的组织形态。在晶粒尺寸方面，Sol_1250方案处理后的材料展现出显著的生长特征，中值晶粒尺寸达到47微米，是Sol_1135态的近5倍。这种生长并非简单的晶粒粗化，而是伴随着组织的重构。![]()
通过EBSD分析发现，高温处理不仅增大了晶粒尺寸，更重要的是诱发了大量孪晶的形成，孪晶界面比例高达65-69%。这些孪晶就像是镶嵌在材料中的金刚钻，为高温服役提供了额外的强化效应。在Sol_1250和HIP_1250态材料中，研究人员观察到了一种独特的珍珠链式碳化物分布。这些细小的碳化物颗粒在晶界上形成连续的链状结构，而不是传统热处理态下常见的零散分布。![]()
通过能谱分析确认，这些碳化物富含铬和碳，主要是M23C6型碳化物。它们的存在不仅强化了晶界，更重要的是改变了材料在高温下的变形机制。在927℃和89MPa的苛刻工况下，改进热处理后的材料展现出惊人的蠕变抗力。![]()
Sol_1250态材料的蠕变寿命达到334小时，而HIP_1250态的水平向样品也达到了247小时，远远超过锻造材料115小时的水平。更令人瞩目的是，最小蠕变速率降低了整整一个数量级，从10-4s-1降至10-5s-1。![]()
大尺寸晶粒降低了晶界总面积，减少了高温变形的薄弱环节；而连续分布的碳化物则有效钉扎了晶界，抑制了高温蠕变过程中的晶界滑移。这种多重强化机制的巧妙配合，最终帮助材料突破了传统工艺的性能极限。通过这项研究，我们又获得了一套已验证过的工艺方案。首先是1250℃/2小时的高温固溶处理，随后进行1010℃/2小时的第一级时效，能够促进理想尺寸的γ'相析出；最后在788℃下保温8小时完成第二级时效，在强化相的尺寸和分布上实现最终的精细调控。如果条件允许，还可以选择在1250℃/100MPa条件下进行4小时的热等静压处理，这将进一步提升材料的综合性能。它向我们展示了，尤其对于这些相对新的材料，深入理解材料科学原理，突破传统工艺的框架，增材制造可以开辟新天地。![]()
更多研究细节请参考文末的DOI信息。
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Reference:
1.https://doi.org/10.1016/j.mtla.2025.102334
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