增材制造，即“3D打印”是一种先进的制造技术，用于逐层修复或制造几何形状复杂的零部件，近些年受到了学术界和工业界的广泛关注。镍基高温合金在高温下具有良好的力学性能、抗氧化/腐蚀性能以及热稳定性，因此，被广泛应用于能源和航空航天工业等高端领域的产品制造。近些年，为满足实际应用对构件复杂形状和设计自由度的高度需求，增材制造也应用于镍基高温合金的制造。由于该技术涉及流体、冶金等繁多的理化过程，加之镍基高温合金本身的元素组成比较复杂，成形件中极易产生缺陷。其中，由于残余应力而引发的开裂现象最为严重，因此，明确开裂机理并采用适合的手段消除裂纹十分重要。 NMS主编、香港城市大学吕坚院士，南方科技大学朱强讲席教授及其合作者在Nano Materials Science发表题为“Additive manufacturing of Ni-based superalloys: Residual stress, mechanisms of crack formation and strategies for crack inhibition”的综述文章。
文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589965122000460
文章简介：
一、残余应力的产生、影响及测量方法
残余应力，也称为内应力，是在没有外部载荷的情况下，组成零部件的材料体中产生的剩余应力。它通常是由相变和温度梯度引起的材料硬化而积累形成的。所有热机械制造过程都会产生残余应力，而所有残余应力系统都是自平衡的。逐层累积的增材制造过程具有独特热历史，该热历史通常会导致固体结构的热膨胀和收缩，因此，成形件具有较高水平的残余应力，同时也是材料开裂的驱动力。图1列举了残余应力对材料服役的不利影响以及常用的测量方法。
凝固裂纹：由于合金组成成分复杂，在凝固过程中产生偏析，从而导致晶界处局部元素富集，在凝固的最终阶段产生液膜，在残余应力的作用下在熔区发生撕裂。液化裂纹：在晶界位置形成低熔点相，由于增材制造循环加热的特点，上层的热作用使得下层热影响区的低熔点相直接熔化，发生开裂。失塑裂纹：在循环的热作用下，材料升温至一定温度，在该温度下材料的塑性急剧下降，产生脆性温度区间，一旦残余应力超过材料在该温度下的屈服应力，即发生开裂。改变成形工艺从而达到控制材料凝固和温度梯度的目的：参数化设计、脉冲激光、基板预热。改变合金成分控制元素偏析或者改变凝固组织的最终结构：合金设计、金属基复合材料、材料微合金化。
近年来，利用纳米颗粒通过金属增材制造技术原位制备金属基复合材料的技术受到了广泛关注。该方法使用含有纳米颗粒的金属粉末，通过球磨或粉末混合技术将纳米颗粒直接引入商业合金粉末中，形成新的微观结构，从而能够改善材料性能，并有助于防止裂纹发展。该过程如图3所示。图3a-c显示了无纳米颗粒的金属增材制造过程，其中柱状枝晶在凝固过程中沿着构建方向在固液界面处生长，这些枝晶在最终的凝固微观结构中占主导地位。在垂直与枝晶方向的残余应力作用下，晶界处发生开裂。图3d显示了纳米颗粒与合金粉末混合所制造的复合材料粉体。在激光等高能束流的照射下，这些陶瓷纳米粉末被熔化并扩散到熔体中，在熔体中它们充当了异质形核的核心，从而使晶粒得以细化。细化的组织有效地增强了材料对变形的抵抗能力，另外还能够消除元素的偏析作用，从而防止裂纹的产生，如图3f所示。
图3纳米颗粒添加剂对消除裂纹作用的示意图
另外，纳米颗粒的添加不仅消除了裂纹，还对材料起到了弥散强化作用，提升了材料的力学性能，如图4所示。
本文回顾了相关文献，总结了镍基高温合金在增材制造形成过程中的开裂行为以及裂纹的解决方法。文章讨论的问题不仅对金属增材制造领域的研究人员有所帮助，开裂机理和相应的开裂预防/消除方法也适用于其他合金系统。基于目前的综述，我们提出了一些值得探索的领域，以促进增材制造镍基高温合金的未来发展和商业化应用：1. 探索具有不同复杂结构的镍基高温合金零部件的工艺-结构-性能关系几乎所有关于镍基高温合金的增材制造研究都基于简单形状的试件，例如尺寸范围从5mm至10 mm的立方体。因此，尽管增材制造的成形工艺、材料开裂行为和力学性能现在已经得到了很好的理解，但直接应用这些关系来形成尺寸更大或更小的实际工程部件，例如具有精细特征和大尺寸的晶格结构，或几何复杂的航空部件，仍然具有挑战性。因此，深入了解样品尺寸与结构复杂性之间的关系至关重要。2. 定制和开发新针对于增材制造的无裂纹镍基高温合金目前用于增材制造的镍基合金实际上是在传统铸造和锻造合金的基础上进行设计和优化的。其中由于裂纹敏感性的问题，大量现有的商业镍基高温合金不能直接应用于增材制造工艺当中。因此，设计和开发专门适用于增材制造的新型抗开裂高温合金可能会成为该领域新的突破方向。高温合金中的多种元素以及这些元素之间的相互作用意味着传统的试错方法可能不适用于新型高温合金的开发。由于高温合金预合金粉末成本高昂、制作周期长；此外增材制造本身的成本相较于传统的成形方式也较高。因此人工智能、计算材料科学、材料设计软件和高通量方法等将有助于快速、廉价并可靠地验证候选的高温合金。从制造商到向消费者交付产品的所有部门，行业标准都是必不可少的。ASTM和IOS等组织已经发布了一些特定增材制造工艺和热处理工艺的工业和国家标准，以确保增材制造高温合金的可靠性、稳定性。然而，由于增材制造技术在近些年的快速发展，涵盖整个增材制造过程的系统标准非常庞大且复杂。例如，裂纹密度通常用于标定高温合金的开裂程度，但是它会随样品的尺寸和形状而变化，导致科研人员测量的裂纹密度并不统一。因此，用于评估高温合金裂纹敏感性的观察位置和样品几何形状等指征需要标准化。建立一套完善的技术标准和规范对指导增材制造镍基高温合金的可持续发展至关重要。
郭川博士（第一作者）：香港城市大学深圳研究院副研究员。2021年9月博士毕业于英国伯明翰大学材料与冶金专业。主要从事金属增材制造参数化设计，质量控制以及过程监测；增材制造合金缺陷产生机理分析以及消除方法研究，微合金化研究以及金属基复合材料；增材制造合金材料力学行为研究（高温拉伸、蠕变、疲劳），失效分析，氧化腐蚀性能等研究。在国际期刊发表论文17篇、包括第一/共同第一作者论文8篇、申请/授权发明专利8项。
李干（共同第一作者）: 李干，香港城市大学-南方科技大学联合培养博士研究生（导师为吕坚院士与朱强教授），分别在华中科技大学、哈尔滨工业大学获得学士及硕士学位。主要从事高性能金属增材制造材料的设计、研发及其应用。至今在Acta Materialia, Additive Manufacturing, Nano Materials Science, Composite Part: B, Journal of Alloys and Compounds等国际期刊发表论文21篇（其中第一/共同第一作者论文9篇）、申请/授权发明专利6项。
吕坚院士（通讯作者）: 吕坚，法国国家技术科学院（NATF）院士、香港工程科学院院士、香港城市大学机械工程讲座教授、国家贵金属材料工程研究中心香港分中心主任、先进结构材料中心主任，Nano Materials Science主编。研究方向涉及先进结构与功能纳米材料的制备和力学性能，机械系统仿真模拟设计。曾任法国机械工业技术中（CETIM）高级研究工程师和实验室负责人、法国特鲁瓦技术大学机械系统工程系系主任、法国教育部与法国国家科学中心（CNRS）机械系统与并行工程实验室主任、香港理工大学机械工程系系主任、讲座教授、香港城市大学院长，副校长兼研究生院院长。中科院首批海外评审专家，中科院沈阳金属所客座首席研究员，东北大学、北京科技大学、南昌大学名誉教授，西安交通大学、西北工业大学、上海交通大学和西南交通大学顾问教授，上海大学、中山大学、中南大学等大学客座教授，中科院知名学者团队成员，2011年被法国国家技术科学院（NATF）选为院士，是该院近300位院士中首位华裔院士。2006年与2017年分别获法国总统任命获法国国家荣誉骑士勋章及法国国家荣誉军团骑士勋章，2018年获中国工程院光华工程科技奖。已取得53项欧、美、中专利授权，在本领域顶尖杂志Nature（封面文章）、Science、Nature Materials、Materials Today、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Nature Communications、Science Advances、 Advanced Science、PRL、Angew. Chem. 等专业杂志上发表论文450余篇，被引31900余次。
朱强教授（通讯作者）：朱强，1994年毕业于德国爱尔兰根-纽伦堡大学材料科学专业，获工学博士学位；曾任北京有色金属研究总院副总工程师、首席专家、学术委员会委员、国家有色金属复合材料工程技术研究中心副主任、北京市金属先进成形技术中心首创主任，科技部十二五《高品质特殊钢和高温合金》总体专家组专家。现为英国材料、矿业与矿物学会会士，第十五届国际半固态技术委员会主席，中铸协半固态技术工作委员会主任委员。先后参与或主持法国科学中心中法合作项目、德国国家自然基金项目、英国国家自然基金重点项目、英中国际合作项目以及康明斯全球涡轮增压器关键部件压叶轮和涡轮的寿命改进项目。近5年先后承担国家科技支撑、国际合作、重点研发计划以及省市等纵向科研项目和企业合作横向项目。曾获国际合金及复合材料半固态加工技术杰出贡献奖、北美国际半固态/挤压铸造大奖以及两次康明斯技术创新奖等。受邀多次在国际著名学术会议上作特邀报告，发表论文170余篇，编辑出版专著2本，国际发明专利1项及中国专利50项。Chuan Guo, Gan Li, Sheng Li, Xiaogang Hu, Hongxing Lu, Xinggang Li, Zhen Xu, Yuhan Chen, Qingqing Li, Jian Lu*, Qiang Zhu*, Additive manufacturing of Ni-based superalloys: Residual stress, mechanisms of crack formation and strategies for crack inhibition, Nano Materials Science (2022) 0044.关于 Nano Materials Science2019年3月创刊，重庆大学主办，香港城市大学吕坚院士任主编，21个国家 126位学者（包括18位院士）任编委，ScienceDirect全文开放获取。已报道诺贝尔物理学奖得主Konstantin Novoselov院士、吕坚院士、Ruslan Z Valiev院士、卢柯院士、成会明院士、申长雨院士、赵东元院士、段雪院士、侯保荣院士、孙军院士、王琪院士、张立群院士、Oliver G. Schmidt院士、Li Lu教授（新加坡国立大学）、Luyi Sun教授（美国康涅迪格大学）、Vijay Kumar Thakur教授（英国苏格兰乡村学院）、郭再萍教授（澳大利亚卧龙岗大学）、张强教授（清华大学）、郭少军教授（北京大学）、张荻教授（上海交通大学）、刘刚教授（西安交通大学）、彭章泉教授（中科院大连物化所）、刘畅教授（中科院金属所）、刘天西教授（东华大学）、胡宁教授、付绍云教授、黄晓旭教授、魏子栋教授、张育新教授（重庆大学）等团队的研究成果。刊发成果已被近110个国家及地区、约800种SCIE期刊引用报道，总下载58万余次。已入选ESCI、EI、Scopus、CSCD核心、CAS、DOAJ、INSPEC数据库，中国高质量科技期刊分级目录的材料科学综合类T2级、中国高校优秀科技期刊、重庆市高品质科技期刊、重庆市出版专项资助期刊、重庆名刊。2021 CiteScore 14.3，位列Scopus收录的全球同类期刊：Chemical Engineering：Chemical Engineering (miscellaneous)，第2位（2/42），前4.8%；Materials Science：Materials Science (miscellaneous)，第5位（5/124），前4.0%；Engineering：Mechanics of Materials，第10位（10/384），前2.6%。
