【武汉理工大学等】综述:CM247LC 镍基高温合金增材制造 —— 开裂机理、抑制策略与组织性能调控

摘要

CM247LC 镍基高温合金凭借优异高温性能在航空航天与能源领域至关重要，但激光粉末床熔融（LPBF）等增材制造过程中极易开裂，严重限制其工程应用。本文系统综述增材制造 CM247LC 合金的研究现状，深入分析凝固裂纹、液化裂纹、固态裂纹的形成机制，明确宽凝固区间、元素偏析、高热应力是核心诱因；全面梳理工艺优化、先进热管理、材料改性、替代工艺等裂纹抑制策略，评估其原理、效果与局限性；详细阐述从成形态到热等静压（HIP）+ 热处理态的组织演化规律，并关联室 / 高温力学性能（尤其是蠕变）；最后总结当前挑战并展望未来方向，为增材制造高性能无裂纹 CM247LC 构件提供理论指导与技术支撑。

主要亮点

1. 首次专向综述
   聚焦高裂纹敏感性 CM247LC 合金，填补该材料增材制造系统性综述空白。
2. 开裂机理完整解析
   明确三类裂纹（凝固 / 液化 / 固态）的协同触发机制，揭示 “宽凝固区间 + 元素偏析 + 极端热循环” 的耦合作用。
3. 抑制策略全覆盖
   从工艺、热场、材料、后处理、新型工艺五大维度，给出可落地的无裂纹制备方案。
4. 组织–性能强关联
   阐明增材制造态→HIP + 热处理态的组织演变规律，建立与室 / 高温、蠕变性能的对应关系。
5. 工程指向明确
   面向航空发动机叶片等复杂构件，给出工业化制备的关键路径与优化方向。

图 1 247 系列镍基高温合金发展历程与关键技术里程碑

图 2 热力学计算结果

(a) 平衡相分数；(b) 凝固曲线；(c) 应变时效裂纹指数；(d) 凝固裂纹指数

图 3 CM247LC 合金 LPBF 过程中凝固裂纹形成示意图

图 4 CM247LC 不同工艺下裂纹形貌与特征

(a–f) 不同参数下微裂纹形貌与分布；(g–j) 热处理后三重点开裂、晶界碳化物相关开裂、锯齿状裂纹特征

图 5 不同扫描速度与策略下 EBSD 图及再结晶分布

图 6 激光重熔 / 预热裂纹愈合示意图与参数影响

(a) 预熔缺陷；(b) 激光重熔驱动裂纹愈合；(c) 重熔前元素偏析；(d) 重熔后组织均匀化；(e–f) 激光功率、能量密度、预热温度对平均裂纹长度的影响

图 7 合金改性前后裂纹对比与增材制造专用合金设计

(a–e) CM247LC 与改性合金裂纹形态及热裂纹机制；(f) 基于设计理念的增材制造新型高温合金体系

图 8 Y₂O₃掺杂 SLM 成形 Mar-M247 中的核–壳结构与 MC 碳化物

TEM 明场像及 Y、O、Hf、C 元素面分布，揭示核–壳结构对裂纹的抑制作用

图 9 基于 LPBF 的涡轮叶片修复流程与组织表征

(a) 受损叶片模型获取；(b) 前处理；(c) LPBF 修复过程；(d–i) HIP 处理前后 EBSD、KAM、IQ 图对比

图 10 SLM 成形 CM247LC 组织表征

(a) 沿成形方向 < 001 > 强织构 EBSD 图；(b) 二次电子像；(c) 背散射像；(d) 透射电镜下位错与亚结构

图 11 不同固溶温度下 γ' 相析出特征

图 12 成形态与 SLRM+HIP+HT 态 CM247LC 裂纹特征与组织

(a–f) 成形态裂纹、孔隙、共晶组织；(g–i) 复合后处理态无裂纹、立方状 γ' 相均匀分布

图 13 增材制造 247 系列合金力学性能散点图

图 14 成形态、HIP 态、铸造 + 热处理态应力–应变曲线与组织

(a) 工程应力–应变曲线；(b–e) EBSD 与几何必需位错分布，揭示 HIP 对组织与性能的提升

图 15 不同 HIP 温度处理后蠕变曲线与 LMP 参数对比

(a) 871℃/380 MPa 蠕变曲线；(b) 与铸造态 Mar-M247 的 LMP 参数对比，验证高温蠕变优势

图 16 247 系列合金增材制造未来展望与研究方向