西工大《JMST》：定向能量沉積制備稀土Y改性高溫合金的凝固裂紋形成機(jī)理！

1.背景介紹

Hastelloy X 是一種廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的固溶強(qiáng)化型高溫合金，定向能量沉積（DED）技術(shù)因其高沉積效率，在大型構(gòu)件制造與修復(fù)中具有顯著優(yōu)勢(shì)。然而，增材制造過程中劇烈的溫度梯度和快速凝固易引發(fā)凝固裂紋，嚴(yán)重限制了合金的成形質(zhì)量與力學(xué)性能。稀土元素Y通常被認(rèn)為能夠凈化熔體、改善高溫性能，但其在增材制造條件下對(duì)凝固裂紋的影響卻存在爭(zhēng)議。現(xiàn)有研究關(guān)于稀土元素Y究竟是直接抑制還是間接促進(jìn)凝固裂紋尚不清楚，同時(shí)其作用機(jī)制是否與其他合金元素（尤其是Mo）的晶界偏聚行為相關(guān)尚不明晰。

2.成果簡介

近期，西北工業(yè)大學(xué)李金山教授團(tuán)隊(duì)通過多尺度表征結(jié)合DFT模擬計(jì)算，研究了定向能量沉積（DED）成形的稀土Y改性Hastelloy X（HX）高溫合金中出現(xiàn)的“反常”凝固裂紋行為。論文從Y對(duì)晶界偏聚與糊狀區(qū)溶質(zhì)元素分配這一角度出發(fā)，系統(tǒng)比較了Y改性前后的DED-HX合金的開裂行為，以及（開裂）晶界處溶質(zhì)元素析出、偏聚行為。首次從實(shí)驗(yàn)上證明了稀土Y在高溫合金晶界上的偏聚行為，并通過DFT計(jì)算證明了Y與Mo元素的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，解釋了Y引起的凝固裂紋敏感性變化的微觀機(jī)理，為增材制造抗裂紋鎳基高溫合金成分設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。相關(guān)成果以“Unexpected solidification cracking behavior in yttrium-modified Hastelloy-X superalloy fabricated by direct energy deposition”為題發(fā)表于期刊Journal of Materials Science & Technology上。論文第一作者為博士研究生焦點(diǎn)，通訊作者為樊江昆教授，通訊單位為西北工業(yè)大學(xué)。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.12.039

3.圖文解析

研究研究圍繞Hastelloy X合金在定向能量沉積（DED）條件下的凝固裂紋問題展開，通過引入0.15 wt.% 稀土Y元素，構(gòu)建了對(duì)比體系，并分別編號(hào)為HX及HX-Y。兩種合金的DED成形工藝在激光功率、掃描速度、送粉速率、掃描策略及保護(hù)氣氛條件等方面保持一致。

如圖1所示，未添加Y的HX合金整體組織致密，僅可觀察到零星分布的氣孔缺陷，而HX-Y合金中則形成了大量裂紋，單條裂紋長度可達(dá)毫米量級(jí)。通過掃描電鏡進(jìn)一步觀察，證明HX-Y中的裂紋為典型的凝固裂紋。

圖1 DED樣品的光學(xué)顯微鏡表征：（a-c）HX；（d-f）HX-Y

圖2為兩種樣品的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。HX合金在室溫拉伸條件下表現(xiàn)出良好的塑性變形能力，斷口呈現(xiàn)均勻細(xì)密的韌窩。相比之下，HX-Y合金的屈服強(qiáng)度雖有所提升，但延伸率大幅下降，斷裂模式從韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔选?/p>

圖2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線及拉伸斷口形貌：（a）室溫拉伸試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（b-c）HX斷口宏觀SEM圖像；（d-f）HX-Y斷口宏觀SEM圖像

為明確凝固裂紋與晶界特征之間的關(guān)系，如圖3所示，對(duì)HX-Y的開裂晶界進(jìn)行了EBSD表征。結(jié)果顯示，凝固裂紋沿晶界擴(kuò)展，且絕大多數(shù)開裂晶界的取向差分布集中在S-HAGB區(qū)間（25°-45°）。這一分布特征與高溫合金中凝固裂紋敏感晶界的統(tǒng)計(jì)規(guī)律高度一致，說明Y的引入并未改變凝固裂紋的原有形成機(jī)制，而是增強(qiáng)了這一微觀機(jī)制的宏觀表現(xiàn)。

圖3 開裂晶界的IPF圖及取向差測(cè)量

在更微觀尺度上，如圖4所示，通過TKD及EDS表征，發(fā)現(xiàn)在HX未開裂晶界及HX-Y開裂晶界上主要存在富Cr的M23C6型碳化物。

圖4 晶界TKD和EDS表征:（a-b）無凝固裂紋的HX隨機(jī)晶界；（c-d）HX-Y凝固裂紋晶界

由于兩種合金的晶界均可觀察到Cr富集的M23C6型碳化物，此外如圖5所示，該相在HX-Y開裂晶界上均普遍存在，表明其本身并非誘發(fā)凝固裂紋的決定性因素。并且不同裂紋晶界上M23C6的數(shù)量和尺寸存在明顯差異，但裂紋仍然發(fā)生，進(jìn)一步說明裂紋形成與碳化物數(shù)量或尺寸并無直接對(duì)應(yīng)關(guān)系，而更可能與晶界區(qū)域的成分狀態(tài)有關(guān)。

圖5 HX-Y中不同開裂晶界的TEM表征：（a-c）GB1；（d-f）GB2；（g-i）GB3

如圖6所示，HX-Y合金的裂紋晶界處額外出現(xiàn)了大量Mo富集的M6C碳化物，該相在未開裂的HX晶界中未被觀察到。

圖6 HX-Y開裂晶界的TEM表征：（a）HADDF；（b）EDS；（c）富cr相高分辨率圖像；（d-e）c中的FFT；（f）富Mo相高分辨率圖像；（g-h）f中的FFT

如圖7所示，通過三維原子探針技術(shù)（APT）對(duì)裂紋晶界處的元素分布行為進(jìn)行了定量分析。結(jié)果表明，在HX-Y的開裂晶界處，Mo、C、B等元素均表現(xiàn)出明顯的晶界偏聚特征，同時(shí)檢測(cè)到Y(jié)元素在晶界區(qū)域的顯著偏聚。值得注意的是，Y元素并未進(jìn)入M23C6或M6C碳化物內(nèi)部，而是以晶界偏聚或Y2O3顆粒的形式存在于晶界或基體中，說明其對(duì)裂紋行為的影響并非通過直接形成脆性析出相實(shí)現(xiàn)。

圖7 裂紋GB的APT分析：（a）原子分布圖；（b）一維線濃度

如圖8所示，通過第一性原理計(jì)算進(jìn)一步從原子尺度闡明了上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的內(nèi)在機(jī)制。對(duì)典型晶界模型的計(jì)算結(jié)果表明，Y在晶界處具有比Mo更低的偏析能，因而在熱力學(xué)上更傾向于優(yōu)先占據(jù)晶界偏聚位點(diǎn)。由于晶界可供溶質(zhì)偏聚的位點(diǎn)數(shù)量有限，Y在晶界上的優(yōu)先偏聚行為降低了晶界對(duì)Mo的容納能力，使得部分Mo在凝固末期滯留于晶界附近液相中，導(dǎo)致局部Mo濃度升高。這一成分再分配行為促進(jìn)了Mo富集M6C碳化物的形成，從而提高了凝固裂紋的形成傾向。

圖8 DFT建模

綜上所述，本研究通過多尺度表征與理論計(jì)算，系統(tǒng)研究了稀土Y對(duì)DED制備HX高溫合金凝固裂紋行為的影響。Y元素的晶界優(yōu)先偏聚改變了Mo的分配路徑，減少了Mo在晶界上的偏聚行為，間接提高了糊狀區(qū)的Mo富集，最終誘發(fā)和加劇凝固裂紋。這一機(jī)制說明，稀土元素在增材制造高溫合金中的作用并非單一強(qiáng)化或凈化效應(yīng)，而必須結(jié)合合金基體成分與凝固條件進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估。

4.引用文本

D. Jiao, J. K. Fan, Y. L. Song, et al. Unexpected solidification cracking behavior in yttrium-modified Hastelloy-X superalloy fabricated by direct energy deposition. Journal of Materials Science & Technology, 2026, 267: 1-12.

本文來自“材料科學(xué)與工程”公眾號(hào)，感謝論文作者團(tuán)隊(duì)支持。

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