这篇文档发表于学术期刊 *Acta Materialia*，卷247，出版于2023年。它由来自天津大学材料科学与工程学院及水利工程仿真与安全国家重点实验室的 Yanan Zhao、Zongqing Ma（通讯作者）、Liming Yu 和 Yongchang Liu 共同完成。
该研究属于材料科学与工程，具体领域为金属增材制造（Additive Manufacturing）和高温合金设计与加工。研究旨在解决激光增材制造（特别是激光粉末床熔融，LPBF）技术在高性能镍基高温合金应用中面临的一个关键挑战：热裂纹（Hot Cracking）。传统思路认为热裂纹源于合金凝固末期形成的液态薄膜和较大的凝固温度区间，因此普遍采用减少Zr、Hf、B等偏析元素含量的方法来缩小凝固区间、抑制裂纹。然而，这种“减法”设计往往会牺牲合金的力学性能（如强度和蠕变寿命）。本研究颠覆了这一传统思路，提出了一种创新的“合金设计新途径”：通过主动引入偏析元素（在此为Zr），利用增材制造过程快速冷却形成的丰富胞状晶界，设计出连续的液态薄膜和后续的网状偏析相，通过液态回填和应力分担机制来抑制热裂纹，从而在消除裂纹的同时，甚至还能提升材料的力学性能。
研究的详细流程和结果如下：
首先，在材料制备阶段，研究团队选取了Haynes 230镍基高温合金粉末作为基础材料，并通过气雾化法制备了四种不同锆（Zr）含量（0 wt.%、0.5 wt.%、1.0 wt.%、1.5 wt.%）的粉末。所有粉末的氧含量均控制在150 ppm以下。使用Concept Laser M2打印机进行LPBF制造，优化的工艺参数为：激光功率300 W，扫描速度1100 mm/s，扫描间距100 μm，铺粉层厚50 μm。所有打印均在氩气保护气氛下进行，氧含量低于100 ppm。
在微观结构分析方面，研究使用了光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、配备能谱仪（EDS）和电子背散射衍射（EBSD）探头的SEM、透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射（XRD）等多种表征技术。例如，通过OM和SEM观察裂纹密度和微观结构；通过EBSD分析晶粒取向和裂纹扩展路径；通过TEM和选区电子衍射（SAED）确定析出相的种类（如Ni2W4C（M6C）和Ni11Zr9）及其与基体的晶体学关系；通过XRD分析物相并采用sin²ψ法测量残余应力。此外，还利用Thermo-Calc软件和Scheil-Gulliver非平衡凝固模型进行热力学计算，预测凝固路径和相变顺序，并使用差示扫描量热法（DSC）实际测量了合金的液相线温度及析出相的溶解温度。
为了研究热处理对组织和性能的影响，对打印态样品进行了固溶处理：在1200°C下保温1小时，随后空冷。热处理后的样品同样进行了详细的微观结构表征。
力学性能测试主要针对打印态和热处理态样品进行室温拉伸试验。拉伸试样从打印块体中切取，标距长度为35 mm，宽度3 mm，厚度2 mm，拉伸方向垂直于打印方向。使用CMT5105测试机在应变速率为10⁻³ s⁻¹的条件下进行测试。
以下是研究得到的主要结果及其逻辑关系：
1. Zr的添加完全抑制了热裂纹： 光学显微镜观察显示，原始Haynes 230（0% Zr）样品中存在大量裂纹，这些裂纹沿柱状晶界扩展（EBSD结果证实）。当Zr含量增加到1 wt.%时，裂纹被完全消除。这直接证明了通过添加特定元素改变偏析行为可以克服打印性问题。
2. Zr偏析形成了连续的网状Ni11Zr9金属间化合物： 微观结构分析表明，原始样品中胞状晶界仅有少量纳米颗粒（主要为M6C碳化物），而添加1 wt.% Zr的样品中，胞状晶界和晶界被一层连续、均匀的网状相所装饰。通过TEM和SAED分析，确认该网状相为金属间化合物Ni11Zr9，厚度约30-40 nm。EDS元素分布图证实了Zr在晶界处的显著富集以及Ni、Cr、W、Co的贫化。这证明了研究策略的成功：Zr元素在快速凝固过程中被排斥到固/液界面，在最终凝固阶段形成了连续的液态薄膜，随后凝固为Ni11Zr9相。
3. 传统的热裂纹敏感性预测模型在此失效： 利用Scheil-Gulliver模型计算的凝固曲线显示，添加Zr后，合金的凝固温度区间（从液相线到固相线）从134°C急剧增大到477°C，其临界温度范围（CTR, δT_{CTR}）也从49°C增加到210°C。根据传统理论，更大的凝固区间和CTR意味着更高的热裂纹敏感性。但这与实验观察到的裂纹被抑制的现象完全相反。DSC测试表明，实际的Ni11Zr9相形成温度（~1077°C）使得有效凝固区间（液相线至Ni11Zr9形成温度）为307°C，低于计算值，但依然远大于原始合金。这一矛盾揭示了传统模型在预测增材制造（具有超快冷却速率和丰富胞状亚结构）材料时的局限性，也凸显了本研究的创新性：不是减少液态薄膜，而是利用它。
4. 连续液态薄膜/析出相网络通过应力释放机制抑制裂纹： 研究提出，裂纹的产生需要两个必要条件：应力集中和脆弱区域（如晶界、液态薄膜区）。通过系统研究不同Zr含量（0, 0.5, 1.0, 1.5 wt.%）的样品发现，随着Zr含量增加，Ni11Zr9相的数量（体积分数从0.2%增至13%）和连续性增加，裂纹密度显著降低。XRD残余应力测试表明，残余拉应力从201 MPa（0% Zr）显著降低至41 MPa（1.5% Zr）。作者认为，连续分布的胞间液态薄膜/相可以作为“应变吸收器”，在凝固末期通过液态回填（liquid backfilling）来补偿凝固收缩应变，并将热应力分散到大量胞界上，从而缓解了在少数晶界处的应力集中，从根本上抑制了裂纹萌生和扩展。TEM观察支持了这一观点：原始样品胞界处堆积着高密度位错，表明存在显著的残余应力；而Zr改性样品基体中的位错密度明显降低，高密度位错主要存储在Ni11Zr9相内部及其与基体的界面处，说明该相在加工过程中发生了优先变形，吸收了应变。
5. Zr的添加还细化了晶粒并改变了织构： EBSD分析显示，添加Zr后，柱状晶的尺寸从42 μm细化至28 μm，强烈的立方织构（{001}<001>）强度减弱，转变为Goss织构（{101}<001>）。这被归因于Zr的偏析增加了凝固前沿的成分过冷（Constitutional Supercooling, δTcs），促进了形核，从而细化了晶粒并改变了竞争生长模式，削弱了外延生长趋势。晶粒细化和织构弱化也有助于通过晶粒的协调变形来缓解残余应力，进一步提升了抗热裂能力。
6. 热处理后获得优异的强塑性匹配： 热处理（1200°C/1h/AC）后，原始样品中粗大的M6C碳化物（平均尺寸~1.2 μm）在晶界和胞界析出，可能成为应力集中点。而Zr改性样品中，连续的Ni11Zr9网状相完全溶解，取而代之的是均匀分布在晶内和晶界的纳米级ZrC（MC）碳化物颗粒（平均尺寸~130 nm）。这一转变（M6C → MC）归功于溶解的Zr原子优先与C结合形成更稳定的MC，同时Zr原子在晶界的富集也阻碍了W等元素的扩散，抑制了粗大M6C的形成。ZrC与基体较大的晶格错配度（21%）促进了其周围位错的产生。
7. 力学性能得到显著提升： 拉伸测试结果表明：打印态原始样品（0% Zr）因存在大量裂纹，屈服强度为488 MPa，延伸率仅2.5%。而打印态Zr改性样品（1% Zr）展现出超高屈服强度（812 MPa）和良好的延伸率（24%），强度比先前报道的LPBF制备Haynes 230高出50%以上。这归功于连续的Ni11Zr9网状相充当了“骨架”，有效阻碍位错运动（位错在Ni11Zr9/γ界面处塞积）。热处理后，Zr改性样品的屈服强度有所下降（621 MPa），但延伸率大幅提升至35%，实现了强度与塑性的优异结合。其强度明显优于全致密的锻造Haynes 230合金，塑性也处于极高水平。断口分析显示，打印态Zr改性样品表现为沿晶/穿胞断裂，而热处理后样品则呈现高密度等轴韧窝，表明高度延性断裂行为。
本研究的结论是，成功提出并验证了一种抑制激光增材制造镍基高温合金热裂纹的新合金设计策略。该策略的核心在于“反其道而行之”，通过主动进行“偏析工程”，利用增材制造特有的丰富胞状亚结构，引入连续的枝晶间液态薄膜和后续的网状偏析相（Ni11Zr9），实现了应力/应变集中的有效缓解和晶粒变形的协调，从而完全抑制了热裂纹。不仅如此，该策略还带来了额外的益处：打印态材料中连续的Ni11Zr9网络显著提高了强度；经过适当热处理后，材料获得均匀分布的纳米MC碳化物，实现了强度和塑性的卓越组合。这项研究为激光增材制造无裂纹且具有优异力学性能的合金提供了一条全新的设计路径。
本研究的亮点主要体现在以下几个方面： 1. 颠覆性的设计理念：突破了通过减少偏析元素来抑制热裂纹的传统思维定式，创造性提出通过主动控制偏析、利用液态薄膜进行应力调控的新思路。 2. 机理创新：明确提出了利用增材制造过程中形成的丰富胞状晶界，将偏析相分散并形成连续网络，通过液态回填和应力分担机制来消除裂纹，为理解增材制造过程中的热裂纹问题提供了新视角。 3. 多尺度、系统性的实验验证：研究结合了热力学计算、多种先进的微观结构表征手段（从OM、SEM/EBSD到TEM）、残余应力测量和力学性能测试，从凝固原理、微观组织演化到宏观性能，构成了完整、严密的证据链。 4. 性能的显著提升：不仅解决了“有裂纹”和“无裂纹”的问题，更实现了“无裂纹且高性能”的目标。通过简单的后续热处理，获得了强度与塑性均优于传统锻造和先前报道的增材制造同类材料的结果，展示了该策略巨大的应用潜力。 5. 普适性启发：虽然本研究以Haynes 230合金和Zr元素为例，但文中提到的“偏析工程”和利用胞状结构的设计思路，对于其他合金体系（如钴基、铁基高温合金）的增材制造裂纹抑制具有重要的启发和借鉴意义。
其他有价值的发现还包括：Zr添加引起的成分过冷效应导致了晶粒细化和织构演变，这本身也是改善材料性能的有利因素；研究揭示了在超快冷却条件下，传统Scheil模型预测热裂纹敏感性的局限性，强调了考虑微观结构尺度效应的重要性。尽管研究已证明了该方法在室温下的卓越性能，但作者也指出，Zr添加对合金在长期服役条件下的蠕变、氧化和高温塑性等性能的影响仍有待进一步评估，这是未来需要深入研究的课题。