上海交大《Scripta Materialia》：“液膜工程”新策略！破解高γ′鎳基高溫合金在快速凝固過程中的熱裂難題

高γ′含量鎳基高溫合金因其優異的高溫強度，被廣泛應用于航空發動機關鍵熱端部件。然而，這類合金在增材制造過程中極易產生熱裂紋，嚴重制約其工程應用。針對這一核心難題，上海交通大學孫寶德院士團隊提出了一種不同于傳統“抑制液膜”的新思路——通過“液膜工程”（liquid-film engineering）主動調控枝間液膜結構，從根本上提升材料的抗開裂能力。該項研究成果以“Yttrium-driven liquid-film engineering suppresses hot cracking in high-γ′-content nickel-based superalloys under rapid solidification laser glazing“為題發表于材料學領域經典期刊《Scripta Materialia》。博士生李云婷為論文第一作者，通訊作者為康茂東副研究員，王俊教授，研究工作受到了先進材料國家科技重大專項、國家自然科學基金和上海市浦江人才項目的資助。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2026.117300

研究采用激光重熔（laser glazing）模擬增材制造的快速凝固條件，系統研究了不同釔（Y）含量對合金組織與開裂行為的影響。結果表明，當Y含量達到約2.0 at.%以上時，材料表面殘余應力和裂紋密度顯著降低，其中裂紋數量密度降低達兩個數量級。多尺度顯微結構表征揭示了其關鍵機制：隨著Y含量增加，枝間富Y相由孤立顆粒逐漸演變為貫通的三維Ni5Y網絡結構。這一網絡不僅能夠有效促進液態補縮、緩解凝固收縮，還通過取代胞界上的一次γ’ （相比于一次γ′相，Ni5Y具有更大摩爾體積）降低局部應變集中，從而顯著抑制熱裂紋的萌生與擴展。同時，經旋進電子衍射（PED）應變分析進一步證實，Ni5Y取代一次γ’在胞界上析出，該結構轉變能有效降低胞界處的拉伸應變，實現更加均勻的應變分布。這一發現表明，熱裂紋的本質不僅與元素偏析有關，更取決于液膜的形態與性質。該研究首次從“液膜可工程化”的角度，提出通過構建連續枝間網絡來提升抗裂性能，為高γ′鎳基高溫合金的增材制造提供了新的設計范式。

圖1.不同 Y 含量下的 SCI-fs 曲線。Y 添加量分別為0 at.% (a), 0.5 at.% (b), 1.0 at.% (c), 1.4 at.% (d), 2.0 at.% (e), 2.5 at.% (f) 對應的平均 SCI 值依次為3370.4、2567.2、1961.9、1722.6、1526.0 和1416.8。

圖2. 0.5–2.5Y 試樣重熔表面的殘余應力測試結果（a）；表面裂紋形貌（b–f）；表面裂紋密度統計結果（g）；以及截面裂紋示意圖（h）。

圖3. 0.5Y（a1–a3）和 2.0Y（b1–b3）試樣的透射明場像（BF）及對應暗場像（DF）、元素面分布圖；0.5Y 中一次 γ′相（a4）與 2.0Y 中 Ni5Y 相（b4）的高分辨透射像（HRTEM）及對應快速傅里葉變換圖（FFT）；以及 0.5Y（c）和 2.0Y（d）的旋進電子衍射（PED）應變分析結果。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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