西空智造&西交大：高质量3D打印航发热端部件用材料重要突破！

近日，西空智造联合西安交通大学材料科学与工程学院陈凯教授团队，依托自主研发的M100型电子束选区熔化点打印设备，开展DZ125、DD6镍基高温合金增材制造研究，取得新突破。

针对高γ′相镍基高温合金裂纹敏感性高、组织调控难、成形精度受限等共性难题，联合攻关团队成功制备出成形完整、组织可控的高质量试样，探索出了高温预热、熔池调控与扫描策略协同优化的形性协控技术路径，为航空发动机复杂热端部件的快速制造与高性能修复提供了全新解决方案。

典型的“不可焊”镍基高温合金

DZ125与DD6是面向航空发动机高温工况的定向晶、单晶镍基高温合金，以γ′相沉淀强化为核心机制，兼具优异的高温持久、蠕变及疲劳性能，是航空发动机涡轮叶片等关键热端部件的核心用材。

此类合金富含Al、Ti及Hf、W、Mo、Ta等元素，在提升γ′相占比与高温承载能力的同时，也拓宽了凝固温度区间，但加剧了元素偏析与晶界低熔点相形成的倾向。

因此此类合金裂纹敏感性极高，属于典型的“不可焊”镍基高温合金。

20*20*80mm规格打印试样

➡️行业痛点问题

长期以来，定向凝固镍基高温合金部件主要采用精密铸造与定向凝固工艺制备。如今，航空发动机热端部件正在向薄壁化、空心化、复杂冷却结构方向发证，传统制造路线面临多种制造难点。

一是复杂结构成形能力受限。传统精密铸造依赖模具与型芯，工艺流程繁琐，成形一致性与良品率管控难度大，研发与制造周期长。

二是激光增材热裂纹难以抑制。高γ′相镍基高温合金快速凝固时，易发生元素偏析并形成晶界液膜，在凝固收缩与热应力耦合作用下易开裂；而LPBF 3D打印工艺温度梯度大、冷却速率快，会进一步加剧液化裂纹风险，缺陷控制难度高。

三是材料利用率低、制造成本高。传统铸造配套后续机加工的材料损耗大，加之镍基高温合金含多种高价战略合金元素，导致复杂构件的试制与小批量生产成本居高不下。

四是返回料循环利用难度大。含Al、Ti等活性元素的高温合金粉末易氧化，循环使用过程中易引入夹杂、产生成分波动，对粉末洁净度与成形件冶金质量管控提出了更高要求。

打印态DZ125合金内部金相，样品内部无明显冶金缺陷

➡️电子束多参数协同，实现裂纹抑制与组织调控

高γ′相镍基高温合金的增材制造中，缺陷控制与组织调控受多种参数叠加影响。

能量输入不足易引发未熔合缺陷，能量输入过高则会加剧元素偏析、局部重熔与热应力集中，需在充分熔化、缺陷抑制与组织可控之间寻找到合适的工艺窗口。

西空智造和西交大联合攻关团队，结合DZ125、DD6合金的凝固特性，针对粉床预热温度、电子束功率、扫描速度、搭接率及扫描路径等核心参数，开展了系统优化，构建了“高温预热—熔池形貌调控—扫描策略匹配”的协同控制方法。

高温粉床预热可以降低成形过程的温度梯度与热应力；匹配电子束功率与扫描速度，能够获得浅而稳定的熔池，抑制局部过热与元素偏析；优化扫描路径及熔道搭接率，可以调控局部热流方向、熔合区形貌及凝固组织的外延生长行为。

内部机械抛光态样品展示

基于优化工艺，团队成功制备出高温合金成形样件。

试样轮廓完整、表面质量优异，无开裂及成形失稳现象。金相、CT与电子背散射衍射（EBSD）分析显示，试样内部裂纹、孔隙、未熔合等缺陷得到有效抑制，打印态晶粒组织可以沿沉积方向呈稳定的〈001〉取向，实现柱状晶定向生长，同时也可以基于成形参数调控制备粗大等轴晶组织。

X射线CT探伤显示样品内部无裂纹产生

打印态高温合金定向晶、等轴晶组织可控可调

结果证实，M100电子束设备可在匹配工艺窗口内，实现DZ125、DD6两类高裂纹敏感性镍基高温合金的稳定成形，具备复杂构件制造的技术基础与拓展潜力。

此次研究验证了西空智造M100型号国产电子束点打印装备在难焊镍基高温合金成形方面的工艺潜力。

后续，西空智造与西安交通大学团队将进一步围绕复杂结构尺寸精度、成形组织稳定性、高温力学性能及服役可靠性开展研究，推动相关技术由材料试样验证向典型构件制造和工程应用过渡，为航空发动机热端部件的快速研制、高性能修复及结构功能一体化制造提供技术支撑。

相关论文：

1.Turn Nonweldable Ni‐Superalloys Printable and Microstructurally Controllable

2.Achieving and stabilizing fine near-equiaxed grains in additively manufactured Ni-superalloys

注：本文由3D打印技术参考创作，未经授权，谢绝转载。