發布日期：2026-4-23 9:01:57
1、序言
隨著航空發動機向高推重比、高進口溫度方向不斷發展，渦輪葉片等核心部件的服役工況日益苛刻，需長期承受高溫燃氣沖刷、離心載荷、熱應力及振動載荷的耦合作用[1，2]。鎳基高溫合金因其在高達90%熔點溫度下仍能保持優異的力學性能和耐高溫氧化能力，被廣泛應用于現代燃氣輪機發動機的渦輪盤和葉片制造中，成為不可替代的關鍵材料[3，4]。然而，其在極端苛刻的服役環境中，易出現疲勞裂紋、蠕變損傷、葉尖磨損及熱腐蝕等問題，限制了材料的綜合力學性能與制造精度的提高[5，6]。因此，如何進一步提升合金的服役性能已成為工程領域的重點研究方向。
鎳基高溫合金的強化機制主要依賴于y'相[Ni(Al，Ti)]的共格析出，通過阻礙位錯運動實現高溫強化，其強化效果與y'相的尺寸、形態、體積分數及分布密切相關。目前，渦輪葉片的制造主要采用精密熔模鑄造、鍛造及粉末冶金等傳統工藝。其中，激光制造技術憑借其高能量密度、高致密性、可控性強及對復雜形狀葉片的高適應性，在渦輪葉片損傷修復中展現出顯著優勢[7]。多國已將激光制造列為多個領域的核心技術，我國在“十四五”重點規劃中也將其納入專項發展計劃[8]。盡管激光制造技術在鎳基高溫合金修復中取得了一定進展，但仍面臨諸多技術挑戰，激光加工過程中的高能量密度與快速冷凝特性易導致殘余應力集中和析出相生成，進而引發孔洞、裂紋等缺陷，限制修復后葉片的服役安全[9，10];鎳基高溫合金中位錯、析出相與孿晶之間的交互作用機制尚不明確，制約了其組織與性能的精確調控，進而限制了該類材料在高可靠性工程場景中的廣泛應用[11]。
本文系統綜述了鎳基高溫合金激光制造技術的研究進展，包括其顯微組織、力學性能與數值模擬研究3個維度，其中，重點介紹了能場輔助激光制造的技術思路。最后，對鎳基高溫合金激光制造技術的未來研究前景進行了展望。
2、鎳基高溫合金制造技術現狀
2.1傳統制造方法
在鎳基高溫合金的研究中，學者們已對鑄造、鍛造及粉末冶金等傳統工藝進行了研究[12]。
秦卓斌等 [13]研究了一種鎳基鑄造高溫合金4716CC2的高溫拉伸行為，表征了合金熱處理后的顯微組織，分析了合金在不同溫度下拉伸后組織演化規律和拉伸變形機理。WANG等[14]研究了鑄造和鍛造IN-783合金在不同溫度和應變速率下的本構行為和熱加工圖譜。鍛造的IN-783合金在1100℃以上表現出更強的流動不穩定性抵抗力，同時峰值功率耗散效率(40%~45%)也高于鑄造狀態(35%~38%)。王洪瑛等[15]研究了合金的高溫疲勞行為，分析了疲勞斷裂機制和夾雜物對疲勞壽命的影響。結果表明，在高溫循環應力作用下，腹板、榫槽和盤心試樣的平均疲勞壽命分別為280413周次、226706周次、177406周次，疲勞壽命變異系數分別為0.47、0.57、0.51，高溫疲勞斷裂機制包括滑移誘發的類解理斷裂和氧化鋁夾雜物起始斷裂。
對于葉片的修復與制造，目前主要采用熔焊與釬焊等焊接技術[16，17]。朱凱濤等[18]采用BNi-7箔帶釬料實現了GH4169合金的釬焊連接，其接頭典型顯微組織及元素分布如圖1所示。
由圖1可知，等溫凝固區主要由Ni組成，非等溫凝固區主要由Ni、Cr、P組成。在釬焊條件下，釬料中P向基體側擴散。同時，部分基體的Nb和Fe熔入焊縫組織，形成富Fe的鎳基固溶體。釬焊溫度為1020℃時，剪切強度最大，為161.35MPa。GENG等[19]探討了不同線性摩擦焊焊接參數對異種鎳基合金(Inconel718和FGH96)接頭的宏觀/微觀形成、微觀結構演變和性能的影響。王詩洋等[20]以GH4169高溫合金為研究對象，系統研究了釬焊熱循環工藝對GH4169高溫合金的析出相、晶粒尺寸、拉伸性能及持久性能的影響。結果表明，δ相的析出量隨熱循環溫度的升高呈下降趨勢，形態由針狀轉變為棒狀后再轉變為顆粒狀;在970~1010℃范圍內，晶粒尺寸無顯著變化，而當溫度升高至1020℃以上時，晶粒顯著長大。抗拉強度和硬度均隨熱循環溫度的升高先增加后降低，并在1010℃時達到峰值。
但是，傳統制造技術在鎳基高溫合金葉片的修復應用中仍存在明顯局限。鑄造工藝主要用于新葉片的制造，難以實現對服役后損傷葉片的定向修復，且其凝固過程緩慢，易析出γ、γ"及δ等脆性相，導致材料性能下降[21]，需經長時間熱處理和后處理才能滿足使用要求，工藝復雜且周期長。焊接技術雖廣泛應用于葉片修復，但在實際應用中仍面臨諸多挑戰。在焊接修復過程中，易在接頭區域形成硬脆相，顯著降低其高溫力學性能。同時，較大的熱輸入導致基材局部過熱，會產生較大的熱應力和焊接變形，嚴重時引發熱裂紋，降低修復區域的完整性與可靠性。
綜上所述，傳統鑄造與焊接技術在鎳基高溫合金葉片制造中面臨著組織調控難、熱影響大、高溫性能不足等共性挑戰，難以滿足航空發動機關鍵部件對質量與服役可靠性的嚴苛要求。
2.2激光制造技術
近年來，激光制造技術的快速發展在鎳基高溫合金渦輪葉片的高可靠制造中展現出廣闊的應用前景，成為當前研究的熱點方向[22]。LIU等[23]首先通過等離子噴涂沉積在NAB基板上，隨后激光熔覆Ni60A粉末形成復合涂層，制備系統如圖2所示，系統性地研究了涂層的微觀結構、顯微硬度和耐蝕性。結果表明，激光包覆涂層中的增強相主要由Ni3B，M7C3，Cr5B3及M23C6組成。激光涂層的頂層區域呈細小的等軸樹突或顆粒狀。
SAHOO等[24]通過有限元模擬(FEM)，研究了激光粉末床熔融(LPBF)制造Inconel718晶格的相對密度和測試溫度對鋸齒流變現象的影響，探索了構筑方向和溫度對Inconel718的晶格結構中鋸齒流變臨界應變的影響。吳宇等[25]綜述了4種不同增材制造工藝制造的3種鎳基高溫合金GH3536、GH3625和GH4169，闡述增材制造鎳基高溫合金的顯微組織特征及常見冶金缺陷的形成原因與控制方法。FLEMING等[26]使用內聯相干成像(ICI)和同步輻射X射線成像技術對鎳基合金CM247LC在定向能量沉積(DED)過程中產生的表面波紋和裂紋進行了原位觀察，揭示了表面波紋與裂紋之間的作用機制。ZHOU等[27]研究了雙級時效和均勻化處理后雙級時效對激光定向能量沉積Inconel718高溫合金修復區不同軸向載荷下的干滑動磨損行為的影響。結果表明，沉積層的耐磨性決定了修復區的磨損率。殘留的Laves相提高了雙級時效試樣在輕載荷下的耐磨性，通過溶解Laves相改善的延展性減輕了均勻化處理后雙級時效試樣在重載荷下的分層磨損。
此外，OKUGAWA等[28]、TAKAKUWA等[29]、ZHANG等[30]、ZHOU等[31]均對激光制造鎳基高溫合金進行了深入研究，為理解材料組織演化與性能調控提供了重要基礎。
3、顯微組織調控研究
3.1激光制造中的組織缺陷
激光制造過程中的非平衡凝固特性賦予了鎳基高溫合金獨特的組織特征，但也導致了氣孔、微裂紋、脆性析出相及殘余應力等多種組織缺陷的產生，這些缺陷成為制約其力學性能與服役可靠性的關鍵瓶頸。
蔡振清等[32]采用選區激光熔化(SLM)技術制備GH4169高溫合金，研究了掃描速度對SLM成形合金的物相組成、微觀結構、顯微硬度的影響，結果如圖3所示。
從圖3可看出，隨著掃描速度的增加，合金的孔隙率先降后增，在1000mm/s時孔隙率最低，僅為0.01%，即致密性最佳;在600mm/s和800mm/s時合金縱截面存在不規則熔池及圓形冶金氣孔;在1000mm/s時獲得具有規則熔池形貌與近全致密組織的合金;在1400mm/s時合金中形成大量不規則未熔合孔。
WENG等[33]通過激光粉末床熔融技術制造了Inconel718合金試樣，并對其在正交切削過程中的加工現象進行了研究，重點關注了切削能耗、切屑形態、幾何缺陷及微觀組織變形，并與傳統鍛造試樣進行了對比。結果表明，采用切削激光粉末床熔融技術(PBF-LB/M)制造試樣的能耗低于鍛造，其中，垂直于建造方向切削時能耗最低，沿建造方向切削時次之。LI等[34]研究了工藝參數優化和襯底旋轉對消除激光定向能沉積Inconel718單晶合金橫向晶界的影響，重點關注了熔池底部[001]晶區的擴大、雜晶的消除及單晶結構的成形能力。結果表明，優化工藝參數的關鍵在于盡可能擴大熔池底部的[001]區域，并確保重熔深度超過熔池頂部的雜晶區高度，從而在后續沉積中完全消除雜散顆粒。PENG等[35]提出了一種主-輔激光粉末床熔融策略，集成兩個順序掃描的低功率主激光和一個大光斑輔助激光。模擬結果表明，該策略可消除孔隙，并將殘余應力從單激光的1547MPa降至875MPa，降幅達43.4%。SINGH等[36]研究了激光粉末床熔融過程中Inconel 718殘余應力的演化及其對不同取向構件力學性能的影響，重點關注了殘余應力、孔隙率和晶體織構的耦合效應。結果表明，由于經受更多次重復熱循環，垂直沉積的試樣具有更高的殘余應力、更粗大的晶粒，因而表現出更低的強度。
綜上所述，孔隙、未熔合缺陷、殘余應力集中、脆性Laves相析出及雜晶生成等組織缺陷，制約了激光制造鎳基高溫合金力學性能與服役可靠性。如何實現對上述缺陷的有效調控已成為該領域的研究重點。外加物理場輔助調控技術因其對熔池行為具有較好的干預能力已受到廣泛關注。
3.2輔助場調控方法
目前，學者常采用溫度場、超聲波振動場、電磁場及脈沖電流等單一或多場復合制造，改善合金材料的顯微結構與殘余應力等，進而拓展激光制造技術在鎳基高溫合金的應用。
(1)超聲波振動輔助激光制造超聲波振動通過聲流效應和空化效應影響熔池動態行為，輔助激光制造是一種結合超聲波能量與激光技術的復合加工方法，近年來在高端裝備修復、材料性能優化等領域展現出顯著潛力[37]。嵇春艷等[38]研究了超聲波振動輔助激光熔覆工藝在Inconel718合金表面制備Inconel 718-Hf涂層的微觀結構演變及氧化行為，涂層SEM圖像如圖4所示。
從圖4可看出，涂層與基體均為冶金結合，且Hf的摻雜和超聲波振動細化了IN 718涂層的組織。Hf易與熔池中其他元素反應形成化合物，增加了形核質點，促進了組織細化。在涂層S3中，超聲波引入的空化效應破壞了熔池中原有的粗大柱狀枝晶，使其破碎并彌散分布，進一步增加了形核數量，強化了細化效果。
ZOHOURMESGAR等[39]研究了超聲波振動對激光直接能量沉積(LDED)Inconel718合金質量效率和微觀結構的影響，揭示超聲波振動對晶粒形態及Laves相的影響。L\dot{U}等[40]研究了超聲波振動對LDED制備Hastelloy X高溫合金微觀結構及高溫氧化和變形行為的影響，深度表征了超聲波振動對合金材料變形行為的影響機制。FAN等研究了二維超聲波振動對增材制造Inconel718合金顯微組織和力學性能的影響。結果表明，兩種二維超聲波振動策略均能使抗拉強度>910MPa，同時實現了強度與延展性的平衡。LIU等[42]研究了涂層在不同超聲波沖擊(UIT)持續時間下的微觀結構特性和力學性能。結果表明，UIT促使涂層表面缺陷減少，孔隙率較原始涂層顯著降低了90%。同時，涂層表面顯微硬度達到691.57HV0.3，如圖5所示，較原始涂層增加了約47.21%。
(2)脈沖電流輔助激光制造脈沖電流輔助技術在激光制造過程中展現出獨特的組織調控優勢。其作用機制主要源于3種物理效應的協同作用:電致遷移效應、趨膚效應及焦耳熱效應，這些效應共同作用于熔池凝固與固態相變過程，殘余應力緩解及孔隙缺陷抑制提供了徑。
安金嵐等[43]采用激光沉積修復金,并對成形部件進行了脈沖電流后處理,研究了脈沖電流對合金微觀組織的影響規律。圖6所示為不同參數脈沖電流處理后激光沉積修復GH4169高溫合金修復區的Laves相形貌及等效尺寸。
從圖6可看出，當施加相同頻率的脈沖電流時，隨著通電時間的延長，Laves相由細短條狀變為較大的顆粒狀或島狀，最終變為不連續的細顆粒狀，同時Laves相的體積分數也相應減小。結果表明，未施加脈沖電流時合金修復區Laves相的體積分數為2.24%，經頻率為40Hz的脈沖電流處理5min、10min及20min后，合金修復區Laves相的體積分數分別為0.85%、0.77%及0.57%。LIU等[44]采用高密度脈沖電流方法改善激光粉末床制備Inconel718合金，研究發現脈沖電流實現了快速的微觀殘余應力消除和微觀偏析減輕且無顯著的晶粒粗化。杜膠義等[45]在試驗中選用GH4169鎳基合金粉末，通過調節工藝參數，分析了其對粉末成形性的影響規律。結果表明，其最優工藝參數為掃描速度150mm/min、脈沖寬度5.0ms、鋪粉厚度0.15mm、掃描電流140A、激光頻率12Hz、掃描間距0.25mm。王洪明等[46]使用激光沉積GH4169高溫合金制備修復試樣，研究了通電時間對顯微組織和拉伸性能的影響。結果表明，相比脈沖電流處理前，脈沖電流處理后激光沉積合金中Laves相的體積分數和尺寸均減小，抗拉強度和屈服強度均增大;隨著通電時間延長，Laves相體積分數和尺寸逐漸減小，抗拉強度和屈服強度逐漸增大，拉伸斷口處韌窩密度增大、尺寸和深度均減小。當通電時間為20min時，抗拉強度和屈服強度最大。
不同輔助場與激光制造技術的交互耦合，實現了對熔池凝固行為、組織演化及應力狀態的協同調控，為鎳基高溫合金的高質量激光制造提供了新的技術路徑。
(3)多場耦合輔助激光制造胡新新等[47]采用多場復合輔助激光熔覆技術在45鋼基體上制備鎳基涂層，研究了超聲波振動、不同磁場強度、超聲波電磁復合能場對熔覆層的影響機理。YAN等[48，49]研究了脈沖電流和超聲波振動對Inconel718板材變形行為的耦合作用及其力學行為與微觀結構，為理解脈沖電流和超聲波振動在材料變形過程中的耦合作用提供了理論依據。ZHANG等[50]將超聲波電磁復合物理場引入激光增材制造Inconel718合金。通過電磁誘導的洛倫茲力增強了超聲波誘導的空化效應，抑制了沿沉積方向的柱狀枝晶生長，促進了柱狀晶向等軸晶的轉變，使合金的平均顯微硬度從244HV0.2提高至271HV0.2。同時，ZHANG等 [51]、HU等 [52]研究了多場輔助激光制造。當前研究已初步證實超聲波振動、脈沖電流等輔助手段在改善熔池流動性、細化晶粒、調控析出相及緩解殘余應力方面具有積極作用。
4、力學性能與服役性能研究
4.1拉伸性能研究
拉伸性能反映了材料在靜態載荷下的強度與塑性匹配關系。近年來，學者們圍繞熱處理工藝、測試溫度及合金改性等方面開展了研究。
KONG等[53]研究了低Laves相含量的改性Inconel 718合金(Ti2AlC/Inconel718復合材料)在均勻化+固溶+時效(HSA)、固溶+時效(SA)和直接時效處理(A)條件下的微觀組織演化和力學性能的變化。結果表明，與沉積態試樣相比，雖然HSA處理后的試樣屈服強度降低了15.4%，伸長率降低了46.4%，但抗拉強度提高了5.8%。相比之下，SA和A試樣則分別實現了9.6%和47.8%的屈服強度提升，以及11.2%和23.3%的抗拉強度提升，但伸長率分別下降了56.5%和70.3%。QIN等研究了激光粉末床熔融(LPBF)鎳基超合金GH3230在低溫(-195℃)至高溫下(950℃)的拉伸行為，闡明了不同溫度下的拉伸特性和斷裂機制。結果表明，抗拉強度，特別是屈服強度和極限抗拉強度隨著測試溫度升高而下降。在-195~20℃的溫度范圍內，雙晶變形是塑性變形的主要機制。變形雙晶的邊界阻礙位錯運動，導致大量應變硬化，進而導致所有測試溫度中最高的屈服強度和極限抗拉強度。QUAN等[55]通過LPBF制備GH4099高溫合金并分析其在25℃、600℃和900℃下的微觀結構演化和拉伸行為。結果顯示，位錯滑移在25℃和600℃時占主導，位錯剪切y相增強了合金。在900℃時，退火雙晶占主導地位。制備的GH4099高溫合金在25℃、600℃和900℃時，最終抗拉強度分別為1222MPa，1091MPa，444MPa，屈服強度分別為850MPa，767MPa，443MPa，伸長率分別為24.4%、17.4%和13.8%。
4.2耐磨性能研究
耐磨性能是評價激光制造涂層在摩擦工況下服役壽命的關鍵指標。LI等[56]采用激光定向能量沉積(LDED)技術，借助電磁耦合場(EMF)系統性研究電流強度和方向對熔池動力學、缺陷演化、微觀結構演化及復合涂層摩擦行為的影響。結果表明，耦合場重塑了熔池流動模式，有效抑制孔隙和裂紋，將缺陷密度降低至0.075%。適當的電流強度促進顆粒重新分布，抑制疲勞剝落，并使耐磨性提升近64.70%。QI等[57]通過調控純鈦、B4C和鎳涂層石墨的含量，制備了不同含量的TiB2-TiC。研究發現，當TiB2-TiC的含量超過15%(質量分數，下同)時，孔隙度缺陷減少。隨著TiB2-TiC含量增加，組織從細小塊狀逐漸轉變為更大的花瓣狀顆粒。由于更大的瓣狀TiB2-TiC顆粒作為支撐骨架，因此磨損剝落的鎳基復合涂層減少。其中，含30%的TiB2-TiC試樣在往復滑動摩擦測試中磨損體積最小，比原始鎳基涂層低約46.4%。GU等入超聲振動波技術，提升激光原位鍍層TiC增強復合材料涂層的集成性能。分析了不同超聲波振幅對TiC增強復合涂層相成分、顯微硬度和耐磨性的影響。結果表明，粗TiC陶瓷邊緣環狀(Ti，Nb)C的厚度通過超聲波振動而增加。此外，陶瓷顆粒分布均勻性也提升了9.91%。原位TiC在滑動磨損過程中的剝落顯著降低，磨損損失率也降低了98.16%。
4.3疲勞性能研究
疲勞性能是評價渦輪葉片等關鍵傳動部件服役可靠性的核心指標，直接關系到航空發動機的飛行安全與使用壽命。學者們圍繞激光制造鎳基高溫合金的疲勞裂紋萌生與擴展機制、壽命預測模型及熱處理工藝影響等方面開展了系統研究。SUN等[59]通過閾值應力強度因子評估，計算了不同溫度下的裂紋擴展長度，并建立了基于不同失效模式的疲勞壽命預測模型，研究了溫度對增材制造鎳基高溫合金微觀結構相關內部裂紋機制和壽命預測的影響。LI等[60]通過原位數字圖像相關(DIC)觀察和事后微觀結構分析，研究了激光粉末床(LPBF)制造的GH4169鎳基合金在室溫下疲勞短裂紋擴展阻力和速率波動的微觀結構敏感性，提供了對短裂紋擴展阻力的微觀結構來源的見解，以及對觀察到的裂紋擴展速率顯著波動的理論分析。孫傳文等[61]研究了LPBF鎳基高溫合金在650℃高溫下的疲勞性能，在650℃下進行了應力比為R=-1和R=0.1的軸向加載疲勞試驗，選取R=0.1的典型內部失效斷口作為分析對象，研究LPBF鎳基高溫合金的多尺度內部失效行為;通過結合裂紋尖端應力強度因子的定義，提出與小平面裂紋特征相關的裂紋成核壽命預測方法，其預測結果與試驗結果具有較好的一致性。SHI等[62]通過激光粉末床熔融工藝制造，研究了兩種熱處理策略[溶液+時效(SA)和熱等靜壓+溶液+均質化時效(HSA)]對超合金微觀結構演化及疲勞性能的影響。結果表明，HSA處理消除了材料的細胞和層狀亞結構，增大了晶粒尺寸，減小了位錯密度和析出物尺寸，與SA處理的材料相比，疲勞抗力降低。此外，建立了結合晶體塑性有限元模型與熱力學熵生成，預測疲勞壽命。
原位觀測技術的發展為揭示裂紋萌生與擴展機制提供了有力工具。然而，裂紋萌生與擴展機制與位錯/析出相交互作用的定量關聯尚需進一步闡明。
5、制造過程數值模擬研究
目前較多學者通過有限元仿真試驗，對激光制造的過程分析進行了探索。
NIE等[63]開發了一種新的數值模擬模型，結合計算流體動力學(CFD)、物理能量函數和有限元方法(FEM)，研究了激光熔覆過程中鎳基高溫合金的熱歷史。WANG等[64]通過第一性原理計算確定了兩種不同碳化物的彈性性質，提出了一種多尺度數值方法，研究了鎳基高溫合金中不同特性碳化物的強化和損傷行為。姚芳萍等[65]通過Comsol軟件對不同激光功率下的溫度場和應力場進行數值模擬，得到1400W和1600W兩組滿足材料制備基本要求的激光功率值，繪制了溫度梯度和不同方向的熱應力變化曲線，并通過試驗驗證了仿真結果的準確性，進而得到最佳激光功率值。WU等[66]采用分子動力學方法，通過建立三維立方原子模型，模擬了鎳基高溫合金在不同熱機械疲勞(TMF)作用下的力學性能和微觀結構演變，揭示其變形機制。ZHOU等[67]采用第一性原理與有限元結合深度研究了MC碳化物氧化如何影響單晶高溫合金在中溫低周疲勞過程中的裂紋萌生，提出了一種物理模型解釋碳化物氧化如何促進單晶高溫合金在循環載荷下的疲勞裂紋萌生。
綜上所述，從宏觀尺度有限元模擬到原子尺度第一性原理計算，多尺度數值方法已應用于激光制造過程分析。研究不僅深化了對熱歷史、應力演化及微觀組織演變規律的認識，也為工藝參數優化與壽命預測提供了理論工具。
6、結束語
本文系統綜述了鎳基高溫合金激光制造技術的研究進展，從工藝特性、組織調控、力學性能及數值模擬4個維度，系統梳理了該領域的關鍵成果與核心發現。在技術手段方面，激光制造技術憑借其高能量密度與快速凝固特性，在復雜構件成形及損傷修復中展現出優于傳統鑄造與焊接的潛力。在組織調控方面，超聲波振動、脈沖電流等輔助手段通過改善熔池流動、細化晶粒及調控析出相，有效抑制了氣孔、裂紋及殘余應力等典型缺陷，為實現高性能制造提供了解決途徑。在性能研究方面，拉伸、耐磨及疲勞性能隨熱處理工藝、測試溫度及多場耦合條件的演變規律被系統總結，揭示了位錯滑移、孿晶演化等微觀變形機制對宏觀性能的決定性影響。在數值模擬方面，從宏觀有限元到原子尺度模擬的多尺度方法已廣泛應用于熱歷史重建、應力場演化及裂紋萌生機理研究，為工藝優化提供了理論支撐。
盡管當前研究已取得一定成果，但該領域仍面臨挑戰。首先，工藝參數、微觀組織特征與力學性能之間的定量映射關系尚不明確。多場耦合條件下的協同效應與作用機制缺乏系統認識。其次，現有研究多集中于單一性能指標的評價，對拉伸、耐磨、疲勞等多性能的協同優化探索不足，多尺度表征與原位觀測手段的應用仍處于起步階段。
未來鎳基高溫合金激光制造技術的研究可從以下方面重點突破。
1)深化多場耦合調控機理研究，建立多場參數、工藝參數與組織演變的定量關聯，發展多物理場耦合的數值模擬方法。
2)發展多尺度表征技術，結合原位觀測與先進仿真手段，揭示位錯、析出相與孿晶的交互作用及其對疲勞裂紋萌生與擴展的影響規律。
3)構建工藝-組織-性能全鏈條映射關系模型，建立涵蓋拉伸、疲勞、蠕變、氧化等多性能指標的綜合評價體系。
論文參考文獻
[1]李鵬濤，左洪福，肖文，等.航空發動機葉片損傷及其修復技術研究與展望[J].航空學報，2024，45(15):140-167.
[2]單興東，趙國龍.航空發動機葉片缺陷成因與再制造工藝分析[J].中國機械，2024(36):12-15.
[3] ZHU H Y， WANG J T， WANG L， et al.Segregation of Re at the y/ y' boundary of Ni-based single crystal superalloys revealed by first-principles calculations based monte-carlo simulations[J]. Journal of Materials Science& Technology, 2023, 143:54-61.
[4] CHEN J W, SONG W, YANG Y H, et al.Thermal fatigue behavior of the ZGH451 Ni-based superalloy fabricated by direct energy deposition in the temperature range of 900-1100℃[J]. Journal of Materials Science& Technology, 2025, 210: 121-137.
[5]郭偉，董麗虹，王慧鵬，等.基于紅外熱像技術的渦輪葉片損傷評價研究進展[J].航空學報，2016，37(2):429-436.
[6]林杰威，張俊紅，張桂昌，等.基于連續非線性損傷的航空發動機葉片疲勞研究[J].機械工程學報，2010，46(18):66-70.
[7] JANG J, SHIN Y, LEE J, et al. Precipitation behavior and grain growth of Inconel 718 deposited by induction heating-assisted laser directed energy deposition[J]. Additive Manufacturing, 2025, 100:104678.
[8]國家標準化管理委員會，中央網信辦，科技部，等.“十四五”推動高質量發展的國家標準體系建設規劃:國標委聯[2021]36號[EB/OL].(2021-12-06)[2026-03-07].https://gkml.samr.gov.cn/nsjg/bzjss/202112/t20211214_338077.html.
[9] YU H, FU J B, WANG C C, et al. Robust additive manufacturable Ni superalloys designed by the integrated optimization of local elemental segregation and cracking susceptibility criteria[J].Acta Materialia，2024，266:119658.
[10]江龍，張超群，王宣，等.激光選區熔化成形鈦合金底座斷裂分析[J].金屬加工(熱加工)，2025(8):135-139.
[11] BAO P Y, WANG J W, ZHAO H G, et al. Creep behavior and mechanism of a notched y'-rich Ni-based single crystal superalloy at high temperature[J].Materials Science and Engineering: A，2025，925:147883.
[12] TAN L, YANG X G, SHI D Q, et al. Effect of microstructure rafting on deformation behaviour and crack mechanism during high-temperature low-cycle fatigue of a Ni-based single crystal superalloy[J].International Journal of Fatigue, 2025, 190:108599.
[13]秦卓斌，趙新寶，吳松，等.鎳基鑄造高溫合金4716CC2的顯微組織演化和高溫拉伸行為[J].鑄造，2025，74(9):1199-1208.
[14] WANG Z G, ZHOU L X, WANG L Y, et al.Influence of as-cast and forged states on constitutive behavior and hot processing maps of Inconel 783 superalloy[J]. Journal of Materials Research and Technology，2025，39:1379-1395.
[15]王洪瑛，姚志浩，趙杰，等.粉末冶金FGH4720Li鎳基高溫合金的高溫疲勞行為[J].機械工程材料，2025，49(10):87-91.
[16] REN C Y, CHEN K, LIANG J J, et al.Microstructural evolution and its influence on the wear resistance of a laser directed energy deposited Ni-based single crystal superalloy[J]. Journal of Materials Science& Technology, 2025, 205: 127-138.
[17]賀文燮，張元偉，任海水，等.DD26單晶高溫合金釬焊接頭微觀組織與力學性能研究[J].航空制造技術，2024，67(10):
[18]朱凱濤，董多，楊曉紅，等.GH4169/BNi-7釬焊接頭的顯微組織、力學性能和腐蝕行為[J].材料導報，2024，38(24):188-195.
[19] GENG P H, MA H, WANG M X, et al. Dissimilar linear friction welding of Ni-based superalloys[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture,2023，191:104062.
[20]王詩洋，劉士偉，武震東，等.釬焊熱循環對GH4169合金組織與力學性能的影響[J].材料工程，2026，54(3):113-121.
[21]吳懷洲，玄偉東，張翔宇，等.鎳基單晶高溫合金定向凝固雀斑形成機理研究[J].熱加工工藝，2025,54(3):120-124.
[22]牛連濤，蘆麗莉，周蘇婷，等.增材制造316H不銹鋼顯微組織演變機制研究[J/OL].金屬加工(熱加工)，2026:1-10[2026-03-14].https://link.cnki.net/urlid/11.5627.TH.2026
[23] LIU K, WANG L X, HUANG L J, et al. Effect of laser power on microstructure and properties of laser cladding Ni-based composite coating on Nickel Aluminum Bronze alloy[J]. Journal of Alloys and Compounds,2026,1057:186952.
[24] SAHOO S, CHEN Z, JIN X, et al. Influence of architecture and temperature on the critical strain for serrated flow in additively manufactured Inconel 718 lattices[J]. Additive Manufacturing，2025，99:104676.
[25]吳宇，陳冰清，劉偉，等.增材制造鎳基高溫合金在航空發動機與燃氣輪機中的研究應用進展[J].航空材料學報，2024，44(1):31-45.
[26] FLEMING T G, REES D T, MARUSSI S, et al. In situ correlative observation of humping-induced cracking in directed energy deposition of nickel-based superalloys[J]. Additive Manufacturing,2023，71:103579.
[27] ZHOU Y, MA W B, ZHANG H K, et al.Improved tribological properties of laser directed energy deposition repaired Inconel 718 superalloys via heterogeneous microstructures control[J].Tribology International, 2026, 213: 111066.
[28] OKUGAWA M, SAITO K, YOSHIMA H, et al.Solute segregation in a rapidly solidified Hastelloy-X Ni-based superalloy during laser powder bed fusion investigated by phase-field and computational thermal-fluid dynamics simulations[J]. Additive Manufacturing，2024，84:104079.
[29] TAKAKUWA R, SAKAGUCHI M, CHIN Y,et al. Additive manufacturing of y'precipitate-strengthened nickel-based superalloy UNS N07001 by electron beam melting: Effects of post-heat treatment on microstructure and mechanical properties[J]. Additive Manufacturing, 2025,100:104690.
[30] ZHANG H M, WU Y J, WANG Y, et al. In-situ nanoscale precipitation behavior and strengthening mechanism of WC/IN718 composites manufactured by laser powder bed fusion[J]. Composites Part B:Engineering,2024,284:111727.
[31] ZHOU Y, FANG X W, XI N Y, et al. Enhanced strength and ductility of laser-directed energy deposition repaired IN718 superalloy via a novel tailored heat treatment[J]. Journal of Materials Science& Technology, 2024, 199: 86-101.
[32]蔡振清，謝志浩，張琴，等.掃描速度對選區激光熔化成形GH4169合金微觀結構和力學性能的影響[J].機械工程材料，2026，50(2):42-48.
[33] WENG J, SAELZER J, BROCK G, et al. On machining-induced surface integrity of Inconel 718 fabricated by powder bed fusion[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2024, 328:118406.
[34] LI Z, LIN X, SUI S, et al. Single-crystal structure formation in laser directed energy deposited Inconel 718 through process parameter optimization and substrate orientation tuning[J]. Journal of Materials Processing Technology,2025,335:118673.
[35] PENG J, JIANG W G, LING P H, et al. A conceptual multi-laser integration technology for significantly reducing porosity and residual stress in Inconel 718 parts fabricated by laser powder bed fusion[J]. Optics& Laser Technology, 2025,184:112557.
[36] SINGH U P, SHUKLA A, SWAMINATHAN S, et al. Effect of build orientations on residual stress, microstructure, and mechanical properties of additively manufactured alloy-718 components[J].Journal of Manufacturing Processes, 2024, 113:1-15.
[37] LIU S, TIAN Z J, GAO X S, et al. Effect of ultrasonic peening on microstructure and properties of laser rapid forming GH4169[J]. Optik, 2018,172:443-448.
[38]嵇春艷，黃蕾，徐家樂，等.超聲振動輔助激光熔覆IN718-Hf涂層的抗高溫氧化性能[J].表面技術，2023，52(9):199-208.
[39] ZOHOURMESGAR M, RAZAVI R S, DEHNAVI M R, et al. Effect of ultrasonic vibrations on mass efficiency and microstructure of laser direct deposition Inconel 718 superalloy[J]. Ultrasonics Sonochemistry，2024，111:107124.
[40] L U S J, LIU F G, HUANG C P, et al.Investigation of the microstructure, high temperature oxidation and deformation behavior of hastelloy X superalloy fabricated by ultrasonic vibration laser directed energy deposition[J]. Journal of Alloys and Compounds，2025，1010:177799.
[41] FAN W G, LI J F, QI X X, et al. Regulating microstructure and mechanical properties of additively manufactured Inconel 718 alloy via dual-dimensional ultrasonic vibration strategies[J].Materials Science and Engineering: A, 2025,927:147898.
[42] LIU C, WANG Y S, GU B P, et al. Effect of ultrasonic impact treatment on the wear and corrosion resistance of laser cladding stellite 6 alloy coating[J]. Journal of Alloys and Compounds，2025，1041:183823.
[43]安金嵐，李浩溥，周松，等.脈沖電流改善激光沉積修復GH4169合金微觀組織機理研究[J].中國激光，2025，52(8):52-63.
[44] LIU C, GU S J, YAN X M, et al. Rapid microstructure modification of laser powder-bed fused superalloy IN718 using high-density pulsed electric current[J]. Materials Today Communications,2023,36:106892.
[45]杜膠義，廖海洪，劉斌，等.選區激光熔化工藝參數對GH4169粉末成型性的影響[J].熱加工工藝，2014，43(6):19-22.
[46]王洪明，陳福龍，安金嵐，等.通電時間對脈沖電流處理后激光沉積修復GH4169高溫合金組織及性能的影響[J].機械工程材料，2026，50(1):82-86.
[47]胡新新.多場復合輔助激光熔覆碳化塢鎳基涂層組織與性能研究[D].福州:福建工程學院，2023.
[48] YAN J P, ZHAO R, WAN M, et al. Coupled effect of pulsed current and ultrasonic vibration on deformation behavior of Inconel 718 sheet:Phenomena and modeling[J]. Journal of Materials Research and Technology, 2023, 25: 5538-5560.
[49] YAN J P, ZHAO R, HE W L, et al. Mechanical behavior and underlying mechanism of nickel-based superalloy during coupling electrical pulse and ultrasonic treatment[J]. Materials Science and Engineering: A，2024，911:146876.
[50] ZHANG T, LI P F, ZHOU J Z, et al.Microstructure evolution of laser cladding Inconel 718 assisted hybrid ultrasonic-electromagnetic field[J]. Materials Letters, 2021, 289: 129401.
[51] ZHANG T, ZHOU J Z, WANG J Z, et al.Effect of hybrid ultrasonic-electromagnetic field on cracks and microstructure of Inconel 718/60% WC composites coating fabricated by laser cladding[J].Ceramics International, 2022, 48(22): 33901-33913.
[52] HU Y, CAO L C, WANG L, et al. Effects of electromagnetic compound field on the macroscopic morphology of laser cladding[J]. Optics& Laser Technology，2024，174:110555.
[53] KONG Y, WANG J L, PENG K Y, et al. Directed energy deposition of a modified Inconel 718 with low Laves content: Microstructure and property evolution following different heat treatments[J].Materials Science and Engineering: A, 2025,942:148710.
[54] QIN Y L, LIANG J Y, LONG X J, et al.Temperature dependence tensile deformation behaviors of laser powder bed fusion GH3230 Ni-based superalloy[J]. Materials Characterization,2025，225:115177.
[55] QUAN Z X, WANG Z H, JIA Q, et al.Temperature-dependence tensile behavior and deformation mechanism of GH4099 Ni-based superalloy manufactured by laser powder bed fusion(LPBF)[J]. Materials Characterization, 2025,229:115528.
[56] LI W Y, LIU W W, LIU H Q, et al. Electro-magnetic coupled field-assisted laser-directed energy of Ni-based WC composite coatings:Defect suppression, microstructural evolution, and tribological behavior[J]. Journal of Manufacturing Processes，2026，160:389-412.
[57] QI X X, LI Y L, CUI W Q, et al. Improving the wear and corrosion properties of laser cladded Ni-based composite coatings via regulating in-situ TiB2-TiC[J]. Ceramics International, 2025, 51(7):9442-9454.
[58] GU R J, WANG J H, MA Z L, et al.Microstructure and mechanical property of in situ TiC reinforced Ni-based composite coatings fabricated by ultrasonic vibration assisted laser cladding[J]. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials，2026，134:107494.
[59] SUN R, ZHANG W, BAI R, et al. Microstructure-based interior cracking mechanisms and life prediction of additively manufactured Ni-based superalloy with temperature effect[J]. Engineering Fracture Mechanics, 2023, 290: 109507.
[60] LI J H, HUANG Q H, WANG Z Y, et al.Microstructural insights into fatigue short crack (下轉第28頁)
[61]孫傳文，李偉，孫銳.激光增材鎳基合金內部疲勞失效行為研究[J].工程科學學報，2024，46(12):2207-2216.
propagation resistance and rate fluctuation in a Nibased superalloy manufactured by laser powder bed fusion[J]. International Journal of Plasticity，2023，171：103800.
[61] 孫傳文，李偉，孫銳. 激光增材鎳基合金內部疲勞失效行為研究[J]. 工程科學學報，2024，46
（12）：2207-2216.
[62] SHI T，ZHOU Y D，LI R Y，et al. Fatigue behavior of laser powder bed fusion GH4169
superalloy using different heat treatment methods[J]. International Journal of Fatigue，2026，206：109479.
[63] NIE P L，OJO O A，LI Z G. Modeling analysis of laser cladding of a nickel-based superalloy[J]. Surface and Coatings Technology，2014，258：1048-1059.
[64] WANG Q，LIU F R，SONG J X，et al. Multiscale finite element analysis of the strengthening and damage behavior of carbides with different characteristics in nickel-based superalloys[J]. Composite Structures，2025，354：118761.
[65] 姚芳萍，房立金，李金華，等. 激光功率對激光熔覆Ni基涂層溫度場和應力場的影響[J]. 塑性工程學報，2021，28（11）：87-94.
[66] WU W P，DING Z J，LI Y L，et al. Molecular dynamics simulation of thermomechanical fatigue properties of Ni-based single crystal superalloys[J]. International Journal of Fatigue，2023，173：107667.
[67] Z H O U Z F，WANG D K，LI R G，e t a l. Quantifying the impact of oxidized carbide expansion on fatigue crack initiation in a Ni-based singlecrystal superalloy[J]. Materials Characterization，2025，220：114701.
（注，原文標題：鎳基高溫合金激光制造技術研究進展_周杰）