学术动态|李金山教授团队《JMST》最新研究成果：定向能量沉积制备稀土Y改性高温合金的凝固裂纹形成机理

Hastelloy X（HX）是一种广泛应用于航空发动机热端部件的固溶强化型高温合金，而直接能量沉积（DED）因其高成形效率，在大型构件制造与修复中具有显著优势。然而，增材制造过程中剧烈的温度梯度和快速凝固易引发凝固裂纹，严重限制了合金的成形质量与力学性能。稀土元素Y通常被认为能够净化熔体、改善高温性能，但其在增材制造条件下对凝固裂纹的影响却存在争议。现有研究关于稀土元素Y究竟是直接抑制还是间接促进凝固裂纹尚不清楚，同时其作用机制是否与其他合金元素（尤其是Mo）的晶界偏聚行为相关尚不明晰。

近期，实验室李金山教授团队针对Y改性DED制备HX合金的凝固裂纹行为进行了研究。研究结果发现，0.15 wt.% Y 的加入并未抑制凝固裂纹，反而通过改变晶界元素偏聚行为，间接提高了Mo在糊状区的富集，从而显著促进了凝固裂纹的形成。通过APT表征与DFT计算，揭示了Y–Mo在晶界偏聚中的竞争导致裂纹敏感性升高的内在机制。相关研究成果以“Unexpected solidification cracking behavior in yttrium - modified Hastelloy-X superalloy fabricated by direct energy deposition”为题发表在国际综合性期刊《Journal of Materials Science & Technology》。论文通讯单位为西北工业大学凝固技术全国重点实验室，通讯作者为樊江昆教授，第一作者为焦点博士。

Y改性HX凝固裂纹沿晶界扩展，且绝大多数开裂晶界的取向差分布集中在S-HAGB区间。Y的引入并未改变凝固裂纹的原有形成机制，而是增强了这一微观机制的宏观表现。同时Y改性HX合金的裂纹晶界处额外出现了大量Mo富集的M₆C碳化物，该相在未开裂的HX晶界中未被观察到。

图1 开裂晶界的IPF图及取向差测量

图2 HX-Y开裂晶界的TEM表征：（a） HADDF；（b） EDS；（c）富cr相高分辨率图像；（d-e） c中的FFT；（f）富Mo相高分辨率图像；（g-h） f中的FFT

通过三维原子探针技术（APT）检测到Y元素在晶界区域的显著偏聚。并通过DFT计算结果表明，Y在晶界处具有比Mo更低的偏析能，因而在热力学上更倾向于优先占据晶界偏聚位点。由于晶界可供溶质偏聚的位点数量有限，Y在晶界上的优先偏聚行为降低了晶界对Mo的容纳能力，使得部分Mo在凝固末期滞留于晶界附近液相中，导致局部Mo浓度升高。这一成分再分配行为促进了Mo富集M₆C碳化物的形成，从而提高了凝固裂纹的形成倾向。

图3 Y改性HX开裂GB的APT分析：（a）原子分布图；（b）一维线浓度

图4 DFT建模

本研究通过多尺度表征结合DFT模拟计算，系统探究了Y元素添加对DED制备Hastelloy X高温合金凝固裂纹行为的影响机制。结果表明，0.15 wt.% Y 的加入并未抑制凝固裂纹，反而由于其在晶界处的优先偏聚，改变了Mo的分配行为，导致终凝阶段晶界区域Mo浓度升高并促进Mo富集碳化物的形成，从而显著提高凝固裂纹敏感性。第一性原理计算进一步证实，Y较Mo具有更强的晶界偏聚驱动力，其占据晶界偏聚位点是诱发上述效应的关键原因。该研究为增材制造用稀土改性镍基高温合金的成分设计与抗裂纹优化提供了重要实验及理论依据。

李金山，西北工业大学教授、博导，凝固技术全国重点实验室主任，国家级领军人才，国务院政府特殊津贴专家。兼任中国材料研究学会凝固科学与技术分会理事长、中国机械工程学会铸造分会副理事长、中国航空学会材料工程分会副主任委员、中国兵装学会隐身与防护材料分会副主任委员、陕西省高等学校创新创业教育工作委员会副主任委员、上海证券交易所科技创新咨询委员会委员。担任《铸造技术》主编，《中国有色金属学报（中英文版）》、《金属学报》、《航空制造技术》、《钢铁研究学报英文版》等期刊编委。主要从事先进金属材料及其精确热成形技术研究，主持国家重点研发计划、民机科研、国家自然科学基金重点、国家重大科技成果转化等项目30余项。发表学术论文300余篇，合著专著6部，获授权国家发明专利100余项。获教育部科研优秀成果一等奖和国防科技一等奖各1项，陕西省科技一等奖2项，中国专利优秀奖1项。

樊江昆，西北工业大学教授、博导，国家级青年人才。主要从事钛合金及高温合金等先进金属结构材料相变晶体学、强韧化机理与组织性能调控、变形微观机理等方面的研究工作。主持或参研国家自然科学基金项目、民机专项、两机专项、国家重点研发计划等多项国家级科研项目。担任先进金属材料精确热成型技术国家地方联合工程研究中心副主任、中国有色金属学会理化检验委员会委员、中国电子显微镜学会扫描电子显微专业委员会委员、《Mater Res Lett》《J Mater Sci Technol》《Rare Metals》《金属学报》等学术期刊青年编委。获教育部科研优秀成果一等奖、国防科技一等奖等省部级以上奖励。

图文 | 稀有金属材料与加工研究团队

编辑 | 冯芳

责编 | 何峰

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