選區(qū)激光熔化成形GH4169 合金研究現(xiàn)狀

郭帥東 ，盧 林 ?，吳文恒 ，張 亮 ，王繼芬 ，徐嘯林

1) 上海第二工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 上海 201209 2) 上海材料研究所上海3D 打印材料工程技術(shù)研究中心, 上海 200437

增材制造技術(shù)（additive manufacturing technique，AM）是基于離散–堆積原理，采用零件三維數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)直接制造零件的快速成形技術(shù)，其主要工藝過(guò)程為數(shù)據(jù)建模、模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、打印成形、后處理。相對(duì)于傳統(tǒng)的減材制造（切削加工）技術(shù)，增材制造技術(shù)是一種“自下而上”材料累加的制造方法[1-2]，具備材料利用率高、加工周期短、成形復(fù)雜零件能力強(qiáng)、一體化成形等諸多優(yōu)勢(shì)，可以更好滿足當(dāng)前制造業(yè)綠色、環(huán)保、智能化的發(fā)展趨勢(shì)，因而受到學(xué)術(shù)界及產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注[3-4]。

GH4169 是以γ 相為基體相，通過(guò)在γ 基體中析出γ″相（Ni3Nb）和γ′相（Ni3(Al,Ti)）來(lái)強(qiáng)化的沉淀強(qiáng)化鎳基高溫合金[5]。由于其在高溫下具有較高的強(qiáng)度、抗蠕變性、抗氧化性、抗腐蝕性以及良好的疲勞壽命而被廣泛用于發(fā)動(dòng)機(jī)零部件、核反應(yīng)堆、燃燒室和腐蝕性容器等[6-8]。盡管GH4169具備良好的加工性能，但在制備具有復(fù)雜形狀、輕量多孔等要求的零部件時(shí)，采用傳統(tǒng)加工方法仍然受到限制，利用增材制造技術(shù)可解決復(fù)雜零件制備難題，使得增材制造成形GH4169 備受重視。

本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外選區(qū)激光熔化（selective laser melting，SLM）成形GH4169 合金的研究現(xiàn)狀，主要介紹了選區(qū)激光熔化成形GH4169 合金存在的球化、孔洞等常見(jiàn)缺陷的形成機(jī)理及工藝控制現(xiàn)狀，重點(diǎn)歸納了選區(qū)激光熔化成形工藝參數(shù)、制件后處理及顆粒增強(qiáng)等組織調(diào)控方法對(duì)選區(qū)激光熔化成形GH4169 合金組織性能的影響規(guī)律，最后從工藝控制趨勢(shì)、材料強(qiáng)化設(shè)計(jì)等方面對(duì)選區(qū)激光熔化成形GH4169 合金進(jìn)行展望。

1 選區(qū)激光熔化成形GH4169 合金

1.1 選區(qū)激光熔化技術(shù)

選區(qū)激光熔化技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的金屬增材制造技術(shù)之一。該技術(shù)利用激光束逐層熔化金屬粉末，然后快速冷卻成形，可以克服幾何限制制造出近乎完全致密且性能優(yōu)良的復(fù)雜零件[9-10]。選區(qū)激光熔化成形原理圖如圖1 所示，其成形過(guò)程分為5 個(gè)步驟[11-12]：（1）建立零件三維模型（模型建立）；（2）利用切片軟件對(duì)三維模型進(jìn)行分層切片處理，將三維模型離散化（切片離散）；（3）在成形艙基板上進(jìn)行鋪粉，并通入惰性氣體防止發(fā)生氧化反應(yīng)（鋪粉通氣）；（4）根據(jù)設(shè)定的激光參數(shù)和掃描路徑熔化金屬粉末，形成致密凝固層，每層掃描結(jié)束之后，升降臺(tái)下降一個(gè)層厚的高度，利用鋪粉系統(tǒng)重新鋪上一層金屬粉末，激光束根據(jù)設(shè)定的激光參數(shù)和掃描路徑，重新進(jìn)行掃描熔化金屬粉末（掃描熔化）；（5）重復(fù)步驟（4），直到完成整個(gè)零件的打?。ㄖ貜?fù)掃描）。

圖1 選區(qū)激光熔化原理圖Fig.1 Schematic diagram of the selective laser melting

選區(qū)激光熔化、鍛造和鑄造成形特點(diǎn)如表1 所示。與傳統(tǒng)鑄造和鍛造成形相比，選區(qū)激光熔化技術(shù)更適合滿足定制化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化零件的制備需求。

表1 選區(qū)激光熔化、鍛造和鑄造成形特點(diǎn)[10,13-21]Table 1 Characteristic of SLM, forging, and casting[10,13-21]

1.2 選區(qū)激光熔化成形GH4169 合金中現(xiàn)存問(wèn)題

選區(qū)激光熔化成形GH4169 合金中會(huì)存在球化現(xiàn)象、孔洞缺陷和殘余應(yīng)力等常見(jiàn)問(wèn)題，此類問(wèn)題的存在將對(duì)GH4169 性能產(chǎn)生極大影響。

1.2.1 球化現(xiàn)象

球化現(xiàn)象是選區(qū)激光熔化成形GH4169 合金過(guò)程中常見(jiàn)的冶金缺陷，如圖2 所示。球化現(xiàn)象產(chǎn)生的原因主要分為兩種：一種是由于激光能量過(guò)低，熔池溫度降低，表面張力增大，對(duì)金屬粉末濕潤(rùn)不足，導(dǎo)致金屬在基體上分布不均勻而產(chǎn)生的球化。另外一種是由于金屬粉末接受過(guò)多的激光能量造成能量過(guò)飽和，部分能量會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，產(chǎn)生液滴飛濺，金屬液冷卻凝固為金屬球分布在基體上產(chǎn)生的球化現(xiàn)象[22]。

圖2 球化示意圖Fig.2 Schematic diagram of the spherification

球化現(xiàn)象的產(chǎn)生會(huì)在一定程度上影響后續(xù)鋪粉的平整性，導(dǎo)致熔化不均勻從而引起孔洞等冶金缺陷；球化的存在還會(huì)引起成形件表面粗糙度上升、相對(duì)密度下降等問(wèn)題，進(jìn)一步影響成形件的疲勞強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能[23]。通過(guò)工藝調(diào)控來(lái)改善球化現(xiàn)象是最常用的方法之一。賈清波[23]和張穎等[24]研究不同線能量密度對(duì)選區(qū)激光熔化成形GH4169 表面形貌及相對(duì)密度的影響，發(fā)現(xiàn)在較低線能量密度下，會(huì)產(chǎn)生球化現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致成形件表面形貌較差，相對(duì)密度較低；隨著線能量密度的增加，球化現(xiàn)象改善，試樣表面形貌和相對(duì)密度明顯變好。Balbaa 等[25]研究了不同激光功率和掃描速度對(duì)選區(qū)激光熔化成形GH4169 表面粗糙度的影響，發(fā)現(xiàn)在低激光功率和高掃描速度時(shí)會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)熔道和球化現(xiàn)象，適當(dāng)?shù)卦黾蛹す夤β?，降低掃描速度可以改善球化現(xiàn)象，降低成形件的平均粗糙度。

1.2.2 孔洞缺陷

選區(qū)激光熔化成形GH4169 合金常見(jiàn)孔洞缺陷可根據(jù)形態(tài)分為兩種：第一種是在熔融過(guò)程中保護(hù)氣體未及時(shí)逃逸或熔融金屬粉末過(guò)程中產(chǎn)生金屬蒸氣形成的球形孔洞，大多成球形或近球形，形狀相對(duì)規(guī)則；第二種是由于激光能量不足、粉末顆粒不均勻而缺乏熔合形成的匙形孔洞，此類孔洞形態(tài)多為不規(guī)則狀[26-27]。

孔洞的存在會(huì)對(duì)成形件硬度、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等力學(xué)性能產(chǎn)生極大的負(fù)面影響。目前，最常見(jiàn)的孔洞缺陷控制方法之一是工藝調(diào)控，在一定范圍內(nèi)進(jìn)行工藝參數(shù)的調(diào)控并進(jìn)行工藝優(yōu)化，具有改善熔化和減少孔洞缺陷的效果。Moussaoui 等[26]研究了不同能量密度對(duì)選區(qū)激光熔化成形GH4169 合金孔隙率的影響，發(fā)現(xiàn)隨著能量密度的增大，孔隙率下降，這主要?dú)w因于較大的能量密度對(duì)粉末的熔化充分，孔洞缺陷得到改善。張國(guó)會(huì)等[27]研究了不同掃描速度對(duì)選區(qū)激光熔化成形GH4169 合金孔隙率的影響，發(fā)現(xiàn)掃描速度過(guò)低時(shí)，組織內(nèi)產(chǎn)生圓形的氣孔；掃描速度過(guò)高時(shí)，組織內(nèi)會(huì)有不規(guī)則形狀的孔洞產(chǎn)生，合理調(diào)控掃描速度有利于減少孔洞等缺陷的產(chǎn)生。Wang 等[28]調(diào)控激光掃描速度從1450 mm·s-1降 低 到1000 mm·s-1，平 均 孔 隙 率 從0.13%降低到0.06%。

1.2.3 殘余應(yīng)力

在選區(qū)激光熔化成形GH4169 合金過(guò)程中，激光束熔化金屬粉末發(fā)生冶金反應(yīng)，并快速冷卻凝固，在熔池、凝固層和基板中產(chǎn)生極大的溫度梯度，不均勻的溫度場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生一定的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在會(huì)導(dǎo)致成形件彎曲變形、開裂、以及成形件和基板分離等弊端[29]。為了減小殘余應(yīng)力對(duì)成形過(guò)程、制件性能與服役的不利影響，對(duì)選區(qū)激光熔化成形件的殘余應(yīng)力進(jìn)行研究和調(diào)控是很有必要的。能夠改善殘余應(yīng)力的方法有很多，除了工件本身的性質(zhì)外，激光重熔[29]、后處理[30]以及調(diào)整掃描策略[31]等方式也可以用于改善殘余應(yīng)力。程勇[29]通過(guò)調(diào)控激光重熔的掃描速度為2000 mm·s-1，與未進(jìn)行重熔的成形件相比，將殘余應(yīng)力從527 MPa 減小到350 MPa，下降了33.6%。Lesyk 等[30]研究了滾磨加工、噴丸處理、超聲噴丸處理和超聲沖擊處理等后處理方式對(duì)選區(qū)激光熔化成形GH4169 殘余應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)后處理后，殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，有利于疲勞、摩擦磨損及耐腐蝕等性能的提升。

2 選區(qū)激光熔化成形GH4169 合金的影響因素

2.1 工藝參數(shù)

工藝參數(shù)是調(diào)控選區(qū)激光熔化成形GH4169 合金組織和性能的主要方式之一，不同工藝參數(shù)的調(diào)整和搭配將影響最終的成形質(zhì)量，影響較大的工藝參數(shù)主要包括鋪粉層厚、激光功率、掃描速度等。

2.1.1 鋪粉層厚

鋪粉層厚對(duì)合金組織和性能的影響主要表現(xiàn)在金屬粉末對(duì)激光能量的吸收、形成穩(wěn)定熔池和連續(xù)均勻的熔道三個(gè)方面。李劍[22]研究了鋪粉層厚為0.04、0.05 和0.06 mm 時(shí)選區(qū)激光熔化成形GH4169合金的相對(duì)密度，發(fā)現(xiàn)鋪粉層厚由0.04 mm 增加到0.06 mm 時(shí)，相對(duì)密度呈逐漸降低趨勢(shì)，在鋪粉層厚為0.06 mm 時(shí)取得最低值（97.52%），這是由于粉末熔化程度較低，孔隙數(shù)量較多，難以獲得質(zhì)量良好的成形件。Sufiiarov 等[32]研究了粉末層厚度與選區(qū)激光熔化成形GH4169 合金力學(xué)性能之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)層厚較高時(shí)，強(qiáng)度較低，塑性較好；層厚較低時(shí)，強(qiáng)度較高，塑性較差。杜膠義[33]研究了不同鋪粉厚度下成形件的相對(duì)密度，發(fā)現(xiàn)相對(duì)密度隨鋪粉厚度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，最佳工藝下得到的最大相對(duì)密度為98.45%。

當(dāng)激光掃過(guò)合適層厚的粉末層時(shí)，粉末吸收足夠的激光能量，發(fā)生良好的冶金反應(yīng)并形成穩(wěn)定熔池和連續(xù)均勻的熔道，熔池快速冷卻凝固，形成致密層。粉末層過(guò)薄時(shí)，粉末之間因分布不均勻而使表面不平整，從而影響后續(xù)的熔化過(guò)程；過(guò)薄的粉末層吸收過(guò)多激光能量時(shí)會(huì)出現(xiàn)過(guò)飽和現(xiàn)象，會(huì)使熔池周圍的粉末被部分熔化，從而產(chǎn)生冶金缺陷，過(guò)飽和的能量還會(huì)影響周圍已凝固區(qū)域，造成二次重熔。粉末層過(guò)厚時(shí)，金屬粉末可能會(huì)出現(xiàn)下層粉末能量吸收不足而導(dǎo)致層上、下表面熔化不一致的現(xiàn)象，激光能量無(wú)法完全熔化當(dāng)前厚度的金屬粉末，使粉末殘留在熔池中產(chǎn)生球化現(xiàn)象[22,33]，從而惡化成形件的最終力學(xué)性能。

2.1.2 激光功率

激光功率對(duì)成形件質(zhì)量的影響十分明顯，對(duì)成形件相對(duì)密度、表面粗糙度、顯微組織和性能等都有著直接的影響。Balbaa 等[25]研究了激光功率對(duì)GH4169 相對(duì)密度和表面粗糙度的影響，發(fā)現(xiàn)隨著激光功率的增大，相對(duì)密度整體上呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢(shì)，同時(shí)，適當(dāng)增加激光功率可降低成形件的平均粗糙度。賈炅昱等[34]研究了選區(qū)激光熔化工藝參數(shù)（激光功率、掃描速度）對(duì)成形試樣相對(duì)密度的影響，發(fā)現(xiàn)在掃描速度≤900 mm·s-1時(shí)，試樣相對(duì)密度隨激光功率的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；在掃描速度＞900 mm·s-1時(shí)，相對(duì)密度隨著激光功率的增大而逐漸增大。Yang 等[35]研究了激光功率對(duì)成形件微觀組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著激光功率從500 W 增加到2000 W，柱狀晶粒尺寸呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，延伸率在1500 W 時(shí)達(dá)到最高值33.45%。

合適的激光功率能夠形成穩(wěn)定的熔池，可以打印出缺陷少、組織細(xì)小、表面質(zhì)量較好的成形件。功率過(guò)高時(shí)，單位體積上粉末吸收的激光能量偏高，部分金屬氣化，容易形成氣孔；同時(shí)高功率會(huì)導(dǎo)致熔池產(chǎn)生波動(dòng)，導(dǎo)致粉末和液滴的飛濺，增加了球化、孔洞等缺陷，表面粗糙度上升。激光功率過(guò)低時(shí)，不足以熔化金屬粉末，產(chǎn)生匙形孔洞等缺陷，進(jìn)而影響成形件的力學(xué)性能。

2.1.3 掃描速度

掃描速度對(duì)合金的影響主要體現(xiàn)在激光與粉末之間的能量交互是否可以形成穩(wěn)定熔池，是否能夠吸收足夠的能量并發(fā)生良好的冶金反應(yīng)等方面。掃描速度在一定程度上還會(huì)影響周圍粉末的波動(dòng)，影響缺陷形成。李劍[22]研究了掃描速度對(duì)GH4169相對(duì)密度和顯微硬度的影響，發(fā)現(xiàn)較小掃描速度下產(chǎn)生的飛濺、過(guò)燒等缺陷以及較大掃描速度下產(chǎn)生的斷道、孔隙等問(wèn)題都會(huì)對(duì)相對(duì)密度和顯微硬度產(chǎn)生不利影響。魏建鋒等[36]研究了掃描速度對(duì)成形件相對(duì)密度、顯微硬度和耐磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)過(guò)大或過(guò)小的掃描速度會(huì)產(chǎn)生孔洞等缺陷，導(dǎo)致相對(duì)密度下降，顯微硬度和耐磨損性能變差。Choi等[37]研究了掃描速度對(duì)選區(qū)激光熔化成形GH4169合金零件相對(duì)密度的影響，發(fā)現(xiàn)在較低和較高的掃描速度下都產(chǎn)生大量孔洞，孔隙率隨掃描速度的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，掃描速度為800 mm·s-1時(shí)，孔隙率最低，為0.3%。

過(guò)高的掃描速度導(dǎo)致激光作用時(shí)間較短，作用在金屬粉末上的能量密度小，熔池穿透不足，金屬粉末難以完全熔化。同時(shí)，過(guò)高的掃描速度會(huì)導(dǎo)致粉末飛濺，產(chǎn)生孔洞、球化等缺陷。較低的掃描速度會(huì)導(dǎo)致激光停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，熔池吸附周圍粉末，產(chǎn)生球化現(xiàn)象，同時(shí)，較低的掃描速度可能使熔池不穩(wěn)定，發(fā)生飛濺的問(wèn)題，從而產(chǎn)生缺陷，對(duì)后續(xù)成形件的質(zhì)量和性能產(chǎn)生不利影響[22,36]。

2.1.4 能量密度

工藝參數(shù)中研究最多的是激光功率和掃描速度，為了方便研究激光功率和掃描速度對(duì)選區(qū)激光熔化成形GH4169 合金的綜合影響，有學(xué)者[22-24,38-42]將激光功率和掃描速度的比值（P/v）定義為線能量密度（E），即E=P/v，其中E為線能量密度，P為激光功率，v為掃描速度。Jia 和Gu[39]研究了線能量密度對(duì)選區(qū)激光熔化成形GH4169 性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著線能量密度逐漸增大，成形件相對(duì)密度、顯微硬度和耐磨性能明顯提升。閆岸如等[40]研究了激光線能量密度對(duì)選區(qū)激光熔化成形GH4169的影響，結(jié)果表明相對(duì)密度隨線能量密度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在激光線能量密度為300 J·m-1時(shí)，試樣的相對(duì)密度最高，為98.9%。Yi等[41]研究了激光線能量密度對(duì)選區(qū)激光熔化成形GH4169 合金力學(xué)性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨激光線能量密度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在0.2 J·m-1時(shí)可獲得最好的力學(xué)性能，屈服強(qiáng)度為775 MPa，極限抗拉強(qiáng)度為1055 MPa，延伸率為29.5%。

合適的能量密度能夠使粉末吸收飽和的激光能量，發(fā)生良好的冶金反應(yīng)，生成穩(wěn)定的熔池，且不對(duì)周圍粉末及凝固層造成過(guò)大影響，最后形成致密且性能優(yōu)異的成形件。較低的能量密度會(huì)導(dǎo)致粉末吸收激光能量不足，激光不能很好的熔化粉末，產(chǎn)生球化現(xiàn)象，低能量密度下形成的熔池穩(wěn)定性差，熔池粘度太高會(huì)把周圍粉末吸入熔池，影響成形質(zhì)量，低能量密度下會(huì)形成不連續(xù)、不均勻的熔道，產(chǎn)生連續(xù)性的孔洞，形成缺陷。過(guò)高的能量密度會(huì)導(dǎo)致激光能量穿透性太強(qiáng)，影響之前的凝固層，同時(shí)，過(guò)高的能量密度導(dǎo)致熔池極其不穩(wěn)定，造成液滴飛濺，產(chǎn)生缺陷，高能量密度還會(huì)嚴(yán)重蒸發(fā)金屬粉末，使熔池不斷擴(kuò)散，影響周圍凝固體，造成二次重熔，影響成形件的最終的性能。

2.2 熱處理

國(guó)內(nèi)外關(guān)于選區(qū)激光熔化成形GH4169 合金熱處理的研究很多，選區(qū)激光熔化成形GH4169 合金常用的熱處理方式有固溶、時(shí)效和均勻化處理等。Trosch 等[10]通過(guò)對(duì)比固溶、時(shí)效熱處理制度下鍛造成形、鑄造成形和選區(qū)激光熔化成形GH4169 合金室溫和高溫（450 ℃、600 ℃）的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)室溫時(shí)選區(qū)激光熔化成形的GH4169 合金抗拉強(qiáng)度優(yōu)于鑄造、鍛造件，在450 ℃和600 ℃下選區(qū)激光熔化成形GH4169 合金抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度與鍛造水平相當(dāng)，遠(yuǎn)高于鑄造水平。Aydin?z 等[43]研究了室溫下6 種熱處理方式對(duì)選區(qū)激光熔化成形GH4169 合金力學(xué)性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過(guò)固溶退火+時(shí)效處理后合金抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度等力學(xué)性能最好，但塑性較差。Pr?bstle 等[44]研究了不同溫度下固溶熱處理（930 ℃和1000 ℃）對(duì)選區(qū)激光熔化成形GH4169合金高溫蠕變行為的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1000 ℃固溶熱處理后合金的蠕變性能最好。Feng 等[45]研究了選區(qū)激光熔化成形GH4169 合金在1050 ℃固溶+雙時(shí)效后的組織和顯微硬度的變化，結(jié)果表明經(jīng)過(guò)熱處理后，典型的柱狀晶和枝晶消失，顯微硬度在一定程度上有所提升。Cao 等[46]研究了均勻化溫度對(duì)選區(qū)激光熔化成形的GH4169 合金高溫（650 ℃）力學(xué)性能的影響，試樣在650 ℃下應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3 所示，熱處理后的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度超過(guò)鍛件水平；當(dāng)均勻化溫度為1080 ℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率分別為1126 MPa、965 MPa、21%。

圖3 GH4169 合金試樣在650 ℃應(yīng)力應(yīng)變曲線[46]Fig.3 Stress-strain curves of the GH4169 alloy samples at 650 ℃[46]

作為最常用的后處理方法，熱處理通過(guò)減少成形過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力改善缺陷，調(diào)控合金的析出相及組織來(lái)進(jìn)一步提升材料的性能和質(zhì)量。結(jié)合傳統(tǒng)熱處理工藝，研究不同熱處理制度對(duì)選區(qū)激光熔化成形GH4169 合金組織和性能的影響，對(duì)于完善激光選區(qū)熔化技術(shù)的熱處理制度有重大意義。

2.3 顆粒增強(qiáng)

顆粒增強(qiáng)選區(qū)激光熔化技術(shù)成形金屬基復(fù)合材料（metal matrix composites，MMCs）是目前材料發(fā)展的一大趨勢(shì)，借助選區(qū)激光熔化成形過(guò)程中可原位自生形成增強(qiáng)相的優(yōu)勢(shì)，對(duì)顆粒增強(qiáng)選區(qū)激光熔化成形GH4169 金屬基復(fù)合材料的研究日益受到關(guān)注[47]，陶瓷、金屬粉末以及其他被用做孕育劑的顆粒均被用于形成金屬基復(fù)合材料來(lái)改善組織，提升性能。

2.3.1 陶瓷顆粒

陶瓷顆粒因耐磨和耐高溫被廣泛應(yīng)用于增材制造中，陶瓷增強(qiáng)材料主要包括氮化物、氧化物、碳化物和硼化物，例如TiN[11]、WC[48-49]及TiC[23,50-51]。Nguyen 等[48]采用選區(qū)激光熔化成功制備了GH4169合金與碳化鎢（WC）復(fù)合材料，在純GH4169 合金的情況下，晶粒沿?zé)崃鞣较虺始?xì)長(zhǎng)狀，WC 顆粒的添加阻礙了復(fù)合材料中晶粒的長(zhǎng)大，形成了細(xì)小的組織，當(dāng)WC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到15%時(shí)，材料的顯微硬度和抗拉強(qiáng)度有明顯提高，但延展性有所下降。Wang 等[51]利用選區(qū)激光熔化制備添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%、0.25%、0.50%和1.00%納米TiC 顆粒的Inconel 718 復(fù)合材料。圖4 為添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)TiC 顆粒增強(qiáng)的Inconel 718 復(fù)合材料應(yīng)力應(yīng)變曲線，其抗拉強(qiáng)度分別為1100、1281、1307 和1260 MPa。結(jié)果說(shuō)明TiC 顆粒增強(qiáng)有助于提升材料的力學(xué)性能，但含量過(guò)高時(shí)可能發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致力學(xué)性能下降。

圖4 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)TiC 增強(qiáng)Inconel 718 復(fù)合材料拉伸應(yīng)變應(yīng)力曲線[51]Fig.4 Tensile strain-stress curves of the Inconel 718 composites doped by TiC particles in different mass fraction[51]

2.3.2 其他顆粒

除了上述陶瓷顆粒增強(qiáng)外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也通過(guò)向GH4169 合金中摻雜石墨烯[52-53]、CoAl2O4[54]、Cu[55]等顆粒來(lái)改善合金組織和性能。

Wang 等[52]通過(guò)選區(qū)激光熔化制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、0.25%、1.00%的石墨烯納米片增強(qiáng)GH4169 合金復(fù)合材料，復(fù)合材料極限抗拉強(qiáng)度分別為997.8、1296.3 和1511.6 MPa，摻雜石墨烯納米片引起的屈服強(qiáng)度的增加也很明顯，三種添加值分別對(duì)應(yīng)屈服強(qiáng)度800、1180 和1451 MPa。Xiao等[53]通過(guò)選區(qū)激光熔化成形石墨烯/GH4169 復(fù)合材料，并測(cè)定了石墨烯增強(qiáng)GH4169 鎳基復(fù)合材料的力學(xué)性能，結(jié)果表明石墨烯的加入可顯著增強(qiáng)GH4169 合金的強(qiáng)度，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%石墨烯的GH4169 復(fù)合材料屈服強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度比純GH4169 分別提高42%和53%。Ho 等[54]將GH4169粉末與CoAl2O4顆粒（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%）進(jìn)行混合，在室溫和650 ℃下，選區(qū)激光熔化成形GH4169 合金的拉伸屈服強(qiáng)度分別提高了63 MPa 和66 MPa，蠕變應(yīng)變速率從8.8×10-9s-1降低到4.9×10-9s-1，蠕變斷裂壽命從177 h 增加到229 h。Hassanin 等[55]研究了銅粉添加量對(duì)選區(qū)激光熔化成形GH4169 的影響，結(jié)果如圖5 所示。由圖可知，隨著Cu 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，樣品的導(dǎo)熱性能提升，在低能量密度值下，含Cu 混合物的平均導(dǎo)熱性要比純GH4169的平均導(dǎo)熱性大，在較高的能量密度下，隨著Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)熱性的明顯提升。

圖5 GH4169 復(fù)合材料導(dǎo)熱性與能量輸入的關(guān)系[55]Fig.5 Relationship between the thermal conductivity and energy input of the GH4169 composites[55]

不同類型的增強(qiáng)顆粒與GH4169 摻雜可能對(duì)組織和性能產(chǎn)生不同的影響。不同增強(qiáng)顆粒的摻雜方法也可能不同，如球磨法、懸浮液混合法等。除了添加顆粒直接產(chǎn)生增強(qiáng)相外，也可以采用原位自生的方法形成顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，這樣增強(qiáng)顆粒分布更加均勻，基體組織更加細(xì)小，可進(jìn)一步改善力學(xué)性能。

3 結(jié)論與展望

選區(qū)激光熔化成形GH4169 合金工藝已比較成熟，但依然存在球化、孔洞等缺陷，以及殘余應(yīng)力等問(wèn)題，工藝調(diào)控、熱處理以及顆粒增強(qiáng)等作為最常見(jiàn)的調(diào)控方法能在一定程度上改善選區(qū)激光熔化成形GH4169 合金打印件的組織結(jié)構(gòu)，提高硬度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能。與鍛造、鑄造等傳統(tǒng)工藝等比較，選區(qū)激光熔化成形GH4169 具有近凈成形、可高度個(gè)性化定制、成形件精度較高、組織細(xì)小等特點(diǎn)，力學(xué)性能在一定程度上可達(dá)到甚至超過(guò)鍛造、鑄造等傳統(tǒng)工藝，將傳統(tǒng)工藝與選區(qū)激光熔化成形GH4169 相互結(jié)合，相互補(bǔ)充，是未來(lái)成形GH4169的重要方向之一。TiN、TiC 和WC 等陶瓷材料以及石墨烯、CoAl2O4、Cu 等顆粒已被用于顆粒強(qiáng)化選區(qū)激光熔化成形GH4169 合金，改善組織結(jié)構(gòu)，提升硬度、拉伸和蠕變等力學(xué)性能，通過(guò)顆粒增強(qiáng)與選區(qū)激光熔化成形結(jié)合來(lái)進(jìn)一步改善GH4169 的組織和性能，是當(dāng)前GH4169 制備領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。

目前，需要進(jìn)一步研究現(xiàn)存問(wèn)題的形成原因及解決方法，通過(guò)研究激光與粉末、激光與熔池以及激光與凝固層之間復(fù)雜的能量交互作用，更好地進(jìn)行工藝調(diào)控。選區(qū)激光熔化成形GH4169 合金缺乏材料–工藝–方法–組織–性能系統(tǒng)化的研究及數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，數(shù)據(jù)庫(kù)的建立與共享以及標(biāo)準(zhǔn)的完善是最迫切的目標(biāo)之一。除了直接摻雜顆粒外，可以采用原位自生的方法制備顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，增強(qiáng)顆粒分布更加均勻，基體組織更加細(xì)小，從而改善力學(xué)性能。