上海航天信息研究所、上交大 l 航天用镍基高温合金及其激光增材制造研究现状
新型航天器用镍基高温合金部件呈现出复杂化、薄壁化、复合化、一体化的发展趋势，使得传统的铸造或锻造加工技术无法胜任。基于逐层堆积的激光增材制造（LAM）技术是实现这类复杂部件制备的理 想解决方案，能够进一步赋予高温合金更高的数值，极大地推动航天装备的发展。
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在《精密成形工程》期刊的《航天用镍基高温合金及其激光增材制造研究现状》一文中，来自上海航天信息研究所与上海交通大学的研究团队，首先介绍了航天领域常用的镍基高温合金种类，然后以研究最多的 IN 718和IN 625合金为例，总结了镍基高温合金增材制造的研究现状：归纳了镍基高温合金增材制造工艺优化方法，表明增材制造综合加工图和实验设计方法是两种行之有效的方法；指出了增材制造镍基高温合金材料的微观组织特点，讨论了增材制造后续热处理对材料微观组织和力学性能的影响规律，表明增材制造技术极快速冷却的特点引起镍基高温合金材料内部存在普遍的局部微观偏析现象，导致常规热处理工艺不再是最优工艺；并通过5个典型的增材制造镍基高温合金航天构件案例展示了增材制造技术的优势。在此基础上，针对镍基高温合金增材制造过程中存在的关键科学问题和技术难题，展望了增材制造镍基高温合金未来的研究方向。
图文解析
图1 IN 617 高温合金蜂窝夹芯结构及侧壁示意图
图2 LPBF 综合加工图的构建
图3 合金成分及工艺参数对裂纹出现倾向和孔隙率的影响
图4 增材制造样品的微观偏析
图5 增材制造后热处理对不同镍基高温合金力学性能的影响
图6 970 ℃固溶时效时 δ 相的析出及长大
图7 新型热处理工艺提供优异的强塑性
图8 增材制造对 IN 625 合金中 δ 相析出动力学的影响
图9 不同热处理工艺对 LPBF?IN 625 合金微观组织和力学行为的影响
图10 HIP 对增材制造IN 718合金微观组织的有益影响
图11 激光增材制造的镍基高温合金航天构件
图12 LPBF和DLMD技术的比较
总结
镍基高温合金是航天工业中不可或缺的材料，随着金属增材制造理论研究的深入，增材制造技术将进一步扩大和加快镍基高温合金在航天领域的应用。然而，增材制造技术涉及极为复杂的冶金、物理、化学、热耦合等过程，尽管在航天器构件制备方面有很多成功的案例，且针对镍基高温合金的增材制造也进行了大量的研究，但“材料–增材制造工艺–后续热处理–组织–性能”之间的匹配关系仍不是十分清晰。在今后的研究中，以下几个方面仍值得进一步关注。
1）镍基高温合金成分十分复杂，且对增材制造工艺参数极为敏感，厘清关键合金元素与增材制造缺陷的关联关系对制备零缺陷材料至关重要。
2）微观偏析是增材制造镍基高温合金中普遍存在的现象，往往给材料的微观组织和力学性能带来不利的影响。通过优化合金成分和增材制造工艺参数来减轻或消除微观偏析现象是一个重要的关注点。
3）增材制造镍基高温合金材料独特的微观组织给增材制造后续热处理工艺选择带来一定的挑战性：用于铸造或锻造镍基高温合金的常规热处理工艺将不再是最优的工艺规范。开发新的热处理工艺，通过对微观组织的调控，获得高强韧增材制造镍基高温合 金是一个艰巨的任务。同时，具有热–机械协同效应的热等静压技术单独或与其他热处理工艺相结合，在消除冶金缺陷和调控微观组织方面均具有积极的效果，有望成为提高增材制造构件性能的非常有前景的选择。
4）室温和高温强度、疲劳、蠕变、腐蚀及抗氧化性能均是镍基高温合金服役的重要指标。目前的研究大多集中在室温和高温强度方面，应进一步加强对增材制造镍基高温合金其他性能的评价。
5）镍基高温合金增材制造构件的研制是一个复杂的系统工程，涉及材料、粉体制备、增材制造技术、构件设计、制造标准等，需进行全面系统的研究，以满足未来航天领域快速发展的挑战。
本文引文格式：
DOI:10.3969/j.issn.1674-6457.2023.01.020
期刊英文名称简写：J. Netshape Form. Eng.
陈娇，罗桦，贺戬，谭庆彪，祝国梁等.航天用镍基高温合金及其激光增材制造研究现状[J]. 精密成形工程, 2023, 15(1): 156-169.
Chen Jiao, LUO HUA, HE Jian, TAN QingBIAO, ZHU Guoliang et al. Research status of Nickel-based superalloys and laser additive manufacturing for aerospace[J]. Precision Forming Engineering, 2023, 15(1): 156-169.
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上海交通大学王俊教授：大型复杂薄壁高温合金精密成型技术研究与应用
熔模铸造在我国有悠久的历史，其生产的铸件具有尺寸精确、表面质量好、无需加工或仅通过少量机械加工就能达到使用要求的优点。20世纪60年代，欧美发达国家开发了可制造复杂内腔结构高温合金铸件的熔模精密铸造技术，并应用于航空铸造行业，推动了航空产业的跨越式发展。高温合金熔模铸件主要应用于航空航天发动机关键零部件，例如涡轮转子、导向器叶轮、扩压机匣、扩散机匣、涡轮壳及风扇框架等。这些构件在高温下承受复杂应力,并处于一定的氧化和腐蚀环境下，高温合金优异的物理化学性能使其在相当长的时期内，仍然会作为航空航天发动机关键热端部件的必选材。在航空发动机领域,高温合金整体铸件代替锻件、锻铸组合件及机械加工组合件是重要发展趋势，以美国为首的W方发达国家在先进航空装备中广泛使用熔模精密铸造技术成形复杂整体铸件，以提高装备的整体结构性、可靠性和减轻结构重量，例如F-35战斗机大量采用整体精铸件,这不但降低了制造成本,而且显著的提高了发动机的可靠性和使用寿命。发展新一代航空发动机已经成为我国航空工业最为迫切的需求，新一代高推重比航空发动机对结构设计要求非常苛刻，要求大量采用高结构效率的整体化、轻量化、空心薄壁化和精密化等复杂结构。这促使高温合金熔模铸件向大型复杂薄壁方向发展，大型复杂薄壁高温合金铸件(简称大型铸件)整体熔模铸造技术是先进航空装备迈向轻量化、精确化、长寿命发展的重要技术基础。目前,该技术仍然是制约我国高性能航空发动机研制的瓶颈之一。
2022年6月24日，上海交通大学王俊教授将座客高温合金公益直播周，将带来“大型复杂薄壁高温合金精密成型技术研究与应用”的直播，欢迎观看！
专家简介
[王俊]
王俊，1968年出生，上海交通大学材料科学与工程学院长聘教授，博士生导师，凝固科学与技术研究所所长。主要从事高温合金熔体处理与精确成型技术研究。先后承担国家863项目、973课题和国家自然科学基金、博士点基金和上海市科技创新、航天重大工程等研究项目，并与中国航发集团、航天科技集团、航天科工集团、宝钢等大型企业进行合作，主持研制的高温合金与不锈钢大型精密铸件成功应用于两机及航天重大工程。在国内外学术刊物发表论文260余篇，授权发明专利90余项，《铸造技术》杂志编委会委员。
2005、2014、2016年获上海市科技进步（技术发明类）一等奖。2006年获国家技术发明二等奖， 2008年获中国有色金属工业科学技术二等奖， 2018年获中国航天科技集团科技二等奖，2018年获上海市教学成果一等奖，2020年获教育部技术发明一等奖，2021年获上海市产业学研合作特等奖。2005年入选教育部新世纪优秀人才计划，2006入选上海市教委曙光计划，2008年入选上海市科委学科带头人计划。
研究方向：高温合金精密铸造
研究团队简介
上海交大高温材料精密铸造工程实验室历经十余年深入细致的研究与产业化实践，形成了全流程高温合金复杂薄壁精密成型技术，具备完全自主知识产权，形成了高温合金精密铸造专利集群，已出版学术专著2部，经国防科技成果鉴定为整体具有国际先进水平、部分达到国际领先水平。实验室于2013年成为上海市重点实验室，建立了高温合金真空精铸系统用材料和工艺数据库，涵盖了铸造用高温合金母合金、模壳用无机非金属材料与模型用有机高分子蜡料体系；成功解决了复杂薄壁高温合金微观缺陷的预测与控制难题；构建了大型铸件的专用模壳、型芯材料体系与专用制造方法；形成了全流程容差设计与尺寸精度控制体系；开创了超薄壁成形制造用高温合金调压铸造新方法和新装备，最终形成的工艺规范在航空航天重大工程建设中得到了成功检验。
实验室在创新研发、构建专用制造技术体系的同时，建立了完善的制造过程管理和产品质量控制体系，通过了高温合金、不锈钢精密铸造国军标质量体系，获得了国防科研生产许可与国家保密资质，以及AS9100D航空航天与国防组织认证。实验室建有上海市科委航空材料高温力学性能检测与铸造工艺性能评估专业技术公共服务平台，通过了CMA和CNAS认证。实验室始终与中国航空工业、中国航空发动机制造业及航天各大院、大厂保持了紧密联系和产学研互动，努力构建设计制造一体化产学研平台，先后与中国航发商发和南方公司建立了航空发动机精密制造联合创新中心（UIC）和热加工联合实验室。
直播预告
2022年6月24日（周五） 19:00
大型复杂薄壁高温合金精密成型技术研究与应用
王 俊 教授 上海交通大学
直播地址
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