航天用资料及其制备技术的发展是新型航天器实现多职能性、、高机能、、高靠得住性和成本效益的基础和保障[1-4]。。。镍基高温合金拥有优异的室温/高温力学机能、、高温抗氧化机能与耐蚀机能，，因而在航天领域得到重要利用，，如航天器发起机热端部件[5]和航天器防热系统[6]。。。
相较于航空领域，，航天领域对于高温合金部件的制作要求越发刻薄，，出现出越发复杂化、、薄壁化、、复合化、、一体化等趋向。。。以高机能液体火箭发起机点火室为例[7]，，其部件往往露出在高热、、负荷等工作环境中，，因而必要进行高效能的冷却。。。传统的减材或等材加工技术无法胜任此类怪异且奇妙的冷却系统的制备。。。
20 世纪 80 年代后期发展起来的增材制作（AdditiveManufacturing，，AM）技术[8]作为一种先进的一体化制作技术，，正逐步成为镍基高温合金复杂构件制备的颠覆性技术[9]。。。与传统制作步骤相比，，AM 成形技术在缩减零件数、、缩短出产周期、、降低成本、、实现复杂结构自由设计，，从而实现轻量化、、多组件整合和机能提高方面展示出巨大优势[4,7,10-15]。。。
文中以航天领域最常用的 IN 718 和 IN 625 合金为例，，具体论说了镍基高温合金增材制作工艺优化步骤、、微观组织特点、、增材制作后热处置工艺的钻研近况，，同时展示了几个增材制作镍基高温合金航天构件案例，，以期为增材制作镍基高温合金在航天领域的进一步利用提供参考。。。
1、、 航天领域常用镍基高温合金
镍基高温合金是以镍为基体（含量通常大于 50%）的高温合金，，在 650~1 000 ℃领域内拥有较高强度、、优良抗氧化和抗燃气侵蚀能力等综合机能[16]。。。镍基高温合金商标众多，，目前已有大量的综述文件[17-25]对其发展过程、、成分、、微观组织、、力学机能、、服役机能及制备技术进行了具体总结。。。准则上，，航空用镍基高温合金都能够用于航天领域，，但就现有文件资料可知，，航天领域用镍基高温合金[13,26-29]重要蕴含 IN 718、、IN625、、Rene′41、、MAR?M 246、、Incoloy 903、、IN X?750、、Astroloy、、Alloy 713C、、Rene′95、、Hastelloy 系列、、IN617、、GH4202、、GH4642 和 GH4587 等。。。
在航天器发起机领域[1]，，选用高温合金的重要凭据是部件服役时的受力情况。。。工作叶片、、轮盘、、涡轮转子和紧固件等受力复杂部件对资料力学机能要求极为严格，，通常选用机能更好的沉淀硬化型镍基高温合金，，如用作轮盘资料的 IN 718、、Rene′41、、Astroloy合金和用于制备定向结晶铸造叶片的 Alloy713C、、Mar?M246 合金[5]。。。对只受高温静负载或不大的热应力和振动应力作用的部件，，则更多地思考抗高温氧化机能，，如 IN 625 合金被用于制作“超 X”打算中超音速巡航飞行器以及飞机状航天器的发起机出气口和进气口节制板[1]。。。在航天器防热系统方面[6,30-31]，，镍基高温合金通常用于制备金属热防护结构的蜂窝夹芯结构或蒙皮。。。
图 1 所示为第 3 代金属防热系统规划示意图[30]，，其稀少蜂窝芯层和侧壁薄板选用 IN 617 镍基高温合金。。。该合金为固溶强化型高温合金，，拥有良好的高温抗氧化性和高温强度，，可接受 982~1 038 ℃的高温，，极限瞬时耐热可达约 1 093 ℃，，合用于>650 ℃的较高温区[6]。。。
随着增材制作技术理论钻研的不休发展，，激光增材制作的一体化构件在航天领域受到越来越多的关注[4,32-44]。。。IN 718 和 IN 625 合金是航天领域最常用的两类合金，，也是被报道和钻研得最多的两类镍基高温合金，，二者总计占比达到约 83%[45]。。。二者的名义化学成分如表 1 所示。。。
只管 IN 718 和 IN 625 合金的化学成分靠近，，但其强化机理分歧：：IN 718 是一种以 γ''相作为重要强化相，，γ'相作为辅助强化相，，晶间 δ 相作为晶界强化相的 沉 淀 硬 化 型 合 金 ；；； IN 625 是 一 种 以 难 熔 金 属Nb/Mo 固溶强化为主，，辅以各类碳化物（MC、、M6C、、M23C6）强化的 Ni?Cr 基固溶强化型合金。。。下文以 IN718 和 IN 625 合金为例，，具体综述镍基高温合金增材制作工艺优化、、组织特点及增材制作后热处置的钻研近况。。。
2、、 航天领域用镍基高温合金资料的增材制作技术钻研
2.1 工艺优化步骤
IN 718 和 IN 625 合金拥有类似的密度和溶解区间[48]，，且（Al+Ti）的质量分数均远低于 4%，，属于易焊合金[49]。。。但两者对增材制作工艺参数的敏感性存在较大差距。。。例如，，Zhong 等[48]钻研批注，，在一样的增材制作工艺参数前提下，，IN 625 合金的致密度（孔隙率为 0.009%）显著高于 IN 718 合金（孔隙率为0.69%），，且 IN 625 合金的凝固组织更细。。。这重要是由于 IN 625 合金熔池内部的对流更强，，提高了凝固速度，，推进了气体排出。。。这一了局也批注，，对于特定的镍基高温合金资料，，须进行更详细的增材制作工艺参数优化钻研。。。增材制作工艺的综合加工图能够急剧筛选出适合某种资料的增材制作工艺参数领域。。。以激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion，，LPBF）增材制作技术[50]为例，，在思考节制熔池几何尺寸特点（图 2a）的基础上，，综合思考影响熔池的能量密度，，能够成立LPBF 综合加工图（图 2b）。。。在加工工艺窗口内（图2b 中 III 区）可获得搭接优良、、缺点较少的增材制作镍基高温合金资料。。。
另一方面，，尝试设计步骤能够用至少的尝试次数急剧筛选出关键工艺参数项及其参数领域，，并据此确定最优化的工艺参数组合，，在增材制作工艺参数优化过程中也被宽泛地利用[51-54]。。。Moradi 等[51]使用全因子设计尝试步骤，，系统钻研了激光扫描速度、、送粉速度和扫描战术对直接激光金属沉积（Direct LaserMetal Deposition，，DLMD）增材制作 IN 718 合金的几何尺寸、、硬度尺度差和增材制作壁不变性的影响，，基于统计分析获得了最佳的工艺前提：：扫描速度2.5 mm/s、、送粉速度 28.52 g/min、、单向扫描模式。。。
Benoit 等[53]钻研了合金成分和 LPBF 工艺参数对 IN625 合金缺点形成的影响法规（图 3）。。。了局批注，，LPBF?IN 625 合金的裂纹对资料的成分极度敏感：：当合金粉中含有较高含量的 Si 和 Nb 时，，无论若何优化工艺参数，，裂纹都无法解除；；；在低 Si 和 Nb 含量时，，样品中不存在裂纹，，且能够通过优化工艺参数获得低孔隙率样品。。。
2.2 增材制作镍基高温合金的微观组织
金属增材制作层层沉积的过程现实上是很多小尺寸熔池反复累加的过程，，其宏微观组织特点性质上是由金属溶解和凝固过程中的传热和传质过程决定的。。。Liu 等[50]凭据增材制作过程中的热汗青，，将增材制作的微观结构划分为凝固微观结构（蕴含柱晶结构和晶间析出相）和凝固后微观结构（由应力和热循环而引起的位错胞和纳米析出相），，使增材制作镍基高温合金的微观组织出现出跨尺度的分级结构特点[55]。。。
一方面，，对凝固组织而言，，晶粒描摹和尺寸可凭据经典凝固理论进行分析[56]。。。通常，，增材制作的温度梯度和凝固速度都极高，，使增材制作镍基高温合金出现出比传统制备工艺更藐小的枝晶/胞晶和析出相尺寸 [57] ，， 且 在 较 大 的 激 光 能 量 密 度 范 围 内 （ 4.1~300.0 J/mm2），，胞晶/枝晶尺寸往往随着激光能量密度的增长而增大，，根基上呈线性关系[55]。。。
另一方面，，只管增材制作技术在解决资料成分宏观偏析方面拥有巨大的优势[58]，，但极快的冷却速度往往引起资料内部部门产生微观偏析[59]。。。由于 Nb 和 Mo 元素极易在胞界富集，，在LPBF?IN 718 合金中，，大量的Laves相在胞界上析出[60]（图 4a），，且 Laves 相的数量、、描摹和尺寸与增材制作工艺参数亲昵有关[61-63]。。。Zhang 等[59]也发现，，在 LBPF?IN 625 合金中，，Nb 和 Mo 元素也偏差于在枝晶间区域富集（图 4b），，在增材制作后的热处置过程中，，这些部门微观偏析导致 LBPF?IN 625 合金中 δ 相的成长速度远远快于铸造合金。。。
2.3 增材制作镍基高温合金的后续热处置工艺
增材制作后续热处置是调控增材制作镍基高温合金力学机能的重要工序，，其影响如图 5 所示[11]。。。通过热处置，，可能解除资料内部热应力和微观偏析，，以及调控微观组织，，从而使增材制作镍基高温合金部件更好地满足服役要求。。。但对于分歧类型的增材制作镍基高温合金，，后续热处置对力学机能的影响存在巨大的差距。。。对沉淀强化型 IN 718 合金而言，，增材制作过程中极高的温度梯度和极快的冷却速度会克制 γ''和 γ'相的析出，，导致增材制作 IN 718 合金的硬度和强度较低[60,64]。。：Ｏ嘁说娜却χ媚艽偈 γ''和 γ'相重新析出，，从而显著地提高了资料的屈服强度，，但引起塑性普遍降落；；；对固溶强化型 IN 625 合金而言，，热处置对室温屈服强度的影响并不显著。。。
2.3.1 增材制作 IN 718 合金的热处置
基于 IN 718 合金的 TTT 图[65]，，增材制作 IN 718合金的后续热处置制度通常蕴含以下 3 种规范[66-67]：：析出时效（precipitation aging，，DA）；；；δ 相时效+析出时效（δ aging + precipitation aging，，SA）；；；高温微观组织均匀化+δ 相时效+析出时效（high-temperature mi-crostructure homogenization + δ aging + precipitationaging，，HSA）。。。具体的热处置工艺规范如表 2 所示。。。
通常来说，，较低温度下的 DA 处置不会影响增材制作合金的打印态晶粒描摹，，仅会促使 γ''相和 γ'相析出，，但低的热处置温度并不能解除打印过程中由于微观偏析而析出的 Laves 相。。。Laves 相是一种有害相，，会侵害资料的力学机能[68]，，通常在>970 ℃的高温前提下能够将其溶化。。。因而，，增材制作 IN 718 合金往往选取高于 970 ℃的温度进行均匀化热处置。。。
选取较低均匀化热处置温度的 SA 制度能够使Laves 相溶化并转化为沿晶界析出的 δ 相。。。δ 相会随固溶处置功夫的耽搁而长大[69]，，过长的热处置功夫会引起 δ 相由<1 μm 的颗粒状转变为长约 10 μm 的长条状（图 6）。。。引起这一景象的重要原因是：：晶界处的Laves 相溶化，，引起 Nb 元素在晶界左近荟萃，，导致 δ相在晶界或晶界左近析出；；；亚稳态 γ''相向 δ 相的转变（650 ℃）。。。
随着固溶温度（HSA）的提高[67]，，增材制作样品的再结晶水平也逐步提高，，使微观组织由各向异性逐步转变为各向同性。。。当固溶温度高于1180 ℃时，，增材制作样品可产生齐全再结晶景象，，并且随着均匀化温度的提高和功夫的耽搁，，Laves 相或碳化物相齐全溶化，，引起 γ''相尺寸增大[69]。。。
由此可见，，增材制作 IN 718 合金固溶热处置制度的选择[69-70]不仅影响 γ''相和 δ 相的析出行为，，也会影响资料的再结晶水平，，对换控合金的微观组织极为重要。。。
Li 等[71]开发了一种增材制作后新型热处置工艺路线（图 7a），，与传统热处置工艺相比，，新型热处置工艺选取更高的固溶处置温度，，但随后仅进行一次低温时效处置。。。这种新的热处置工艺一方面使合金中出现低层错能的退火孪晶和无部门应变的再结晶晶粒（图 7b），，贡献了极好的塑性；；；另一方面使合金基体中析出弥散散布的 10~35 nm 超细近球形 γ''+γ'强化相，，贡献了极好的强度（图 7c）。。。这种梦想的微观组织特点使 LPBF?IN 718 合金在根基不损失强度的前提下，，使其断裂伸长率由 17%大幅提高至 24%（图7d）。。。这一钻研成就批注，，基于增材制作镍基高温合金特殊的微观组织特点，，通过开发新的热处置工艺有可能获得强塑性优良的综合力学机能。。。
2.3.2 增材制作 IN 625 合金的热处置
分歧于沉淀硬化型镍基高温合金，，对固溶强化型镍基高温合金而言，，增材制作后续热处置的重要主张是解除内应力和均匀化微观组织。。；；； IN 625 合金的 TTT 图[72-73]，，增材制作 IN 625 合金的后续热处置通常蕴含 3 种常用工艺规范[73-74]：：去应力退火（Stress-relief Annealing ，， SR ）；；； 中 温 退 火 （ Intermediate-temperature Annealing, ITA）；；；高温固溶处置（High-temperature Solution Treatment，，ST）。。。通常来说，，SR（650~870 ℃）能够解除资料内部残存内应力，，预防试样变形，，但不会扭转打印态样品的柱晶结构特点。。。
然而，，由于 Nb 和 Mo 元素的部门微观偏析[59,73]，，会引起 LPBF?IN 625 合金的 TTT图显著地向左移动[73]，，即 δ 相析出的动力学显著加快（图 8），，使 LPBF?IN625 合金中 δ 相的成长速度远快于铸造合金[59]。。。ITA（930~1 040 ℃）处置能够溶化大无数的 δ 相，，形成再结晶晶粒。。。再结晶景象的产生降低了资料力学机能的各向异性。。。ST（1 040~1 200 ℃）处置的高温能够溶化增材制作过程中析出的 MC 碳化物和 δ 相，，从而方便通过后续的时效处置节制 δ 相（760 ℃）或碳化物的再析出（980 ℃）。。。 Inaekyan 等[75]具体总结了 LPBF?IN 625 合金在各类热处置工艺前提下形成的微观组织演化示意图（图 9a）。。。正是由于这些微观结构的分歧，，引起 ST的 LPBF?IN 625 合金在高温下产活泼态应变时效，，使其拉伸断裂伸长率显著降落（图 9b、、c）。。。
2.3.3 增材制作镍基高温合金的热等静压处置
热等静压（Hot Isostatic Pressing，，HIP）技术[76]以惰性气体为载体，，在高和善高压的协同作用下，，通过提高资料的塑性变形和原子扩散能力，，在闭合裂纹/孔隙/未熔合等缺点的同时能够使合金成分均匀、、微观组织不变。。。HIP 被越来越多地利用于镍基高温合金增材制作后处置过程[60, 77-87]钻研，，并获得了优良的进展。。。
在提升增材制作镍基高温合金致密度方面，，HIP处置比传统热处置出现出更大的优势[77, 84-85]：：去应力热处置使样品整体孔隙体积比降低，，但会导致样品理论较大孔的数量增长[84],而 HIP 处置能够同时使内部和理论缺点显著削减，，使增材制作资料的相对密度由99.50%提高到 99.90%[78]。。。在改善增材制作镍基高温合金微观组织方面，，HIP 处置也阐发出积极的影响。。。Xu 等[60]对比钻研了 HIP（1 150 ℃，，4 h，，1 500 bar）、、HT（970 ℃，，1 h，，而后 718 ℃，，8 h + 621 ℃，，8 h）、、HIP + HT 3 种后处置工艺对 LPBF?IN 718 合金微观组织变动的影响法规，，发现 HIP 处置推进 Laves 相全数溶化的同时克制了 γ''相的长大（图 10a、、b）。。。Rezaei等[78]的钻研了局也批注，，HIP 处置睬促使一种 γ''/γ'/γ'' 共析出相形成（图 10c），，有利于提高增材制作镍基高温合金的强度；；；同时，，经 HIP+HT 处置后样品室温前提下的各向异性水平由 11.6%降低至 3.5%。。。
总而言之，，HIP 作为一种热力耦合的后续热处置技术，，在解除/削减打印缺点、、调控微观组织方面展示出了巨大的潜力，，但 HIP 在调控微观组织方面的机理还不是极度清澈，，必要进一步的深刻钻研。。。
3、、增材制作镍基高温合金在航天构件领域的典型利用
3.1 典型构件案例
增材制作拥有超出传统铸造、、铸造制备工艺的成形制作能力，，极度适合制备内含复杂内流道、、多孔点阵结构等极难加工的结构构件，，如火箭推动器耐高温部件、、助推器等，，对将来空间索求至关重要，，因而受到全世界的关注[4,32-43]。。。
火箭发起机喷嘴头是助推器的主题构件之一，，在传统设计中，，该构件由 248 个零部件装配而成，，ArianeGroup 利用增材制作技术将原来的 248 个组件归并成一个构件（图 11a），，克服了传统加工工艺（铸造、、焊接及钻孔等众多复杂工艺步骤）耗时和在极端负荷环境中存在风险的弊端，，真正实现了喷嘴头一体化设计[38]。。。DMRL 钻研人员使用增材制作技术制备了升级版燃料喷射器（图 11b）。。。该构件选取 66.4°横截面设计，，升级了零件的流道，，移除了低应力区域资料，，在零件底部引入了超轻网格结构增材制作构件，， 其抗压、、抗拉及硬度的测试了局优于传统制作的 IN718 构件，，展示出增材制作技术在导弹终端的利用潜力[39]。。。MSFC 利用 DLMD 技术成功制备了 IN 625 合金的整体推力室（图 11c），，该推力室内部形成了齐全的通道结构，，可用于腔室的通道冷却喷嘴部门。。。在主测试阶段，，喷嘴的壁温超过 732 ℃，，证明 DLMD 技术制备整体推力室的可行性[40]。。；；；蝗绕魇呛教焐璞赋ばР槐湓诵械墓丶考，，AddUp、、Sogeclair 和 Temisth合作，，通过增材制作技术成功制备出薄壁（<0.5 mm）没有泄漏且存在大量薄鳍片（0.15 mm）的 IN 718 合金换热器（图 11d）。。。该换热器可确保对热量的要求，，能获得与增材制作铝制外壳类似的质量和机能，，美满地体现了增材制作技术在制备复杂、、精密部件领域的技术优势[41]。。。EOS 与 Hyperganic 合作，，通过推算机算法和人为智能创建了一件结构极其复杂的 Aerospike火箭发起机模型。。。EOS 选取增材制作技术将其成功制备出来，，该发起机高达 80 cm（图 11e），，其长度只有通例钟型火箭发起机的 1/4，，质量只有航天飞机主发起机的 2/3，，与喇叭形喷嘴相比，，这种怪异结构使发起机效能提高了 15%。。。增材制作技术自由制作的特点为该新型火箭发起机的研制掀起了新的热潮，，是火箭推动领域的巨猛进取[42]。。。
3.2 增材制作技术的利用
上述案例均极好地展示了增材制作技术作为一体化成形步骤的巨大优势。。。然而，，在制备构件过程中，，除思考资料可用性、、制备质量、、成本外，，还需思考出产工艺可能构建的构件尺寸及特点分辨率。。。凭据粉末输送方式的分歧，，商用金属增材制作设备可分为 2 类[13]：：基于铺粉的 LPBF 技术和基于同步送粉/丝的 DLMD技术。。。前者成形精度高但零件加工尺寸受限；；；后者则不受尺寸限度但成形精度略低，，后期必要进行加工以满足使用需要。。。Kerstens 等[7]凭据欧洲和美国增材制作机械供给商的制作体积，，总结了 3 种常用增材制作机械的尺寸限度及特点尺寸领域，，见图 12。。。据此，，可凭据所出产构件的尺寸和精度要求选择相宜的增材制作技术。。。
4、、 结论
镍基高温合金是航天工业中不成或缺的资料，，随着金属增材制作理论钻研的深刻，，增材制作技术将进一步扩大和加快镍基高温合金在航天领域的利用。。。然而，，增材制作技术涉及极为复杂的冶金、、物理、、化学、、热耦合等过程，，只管在航天器构件制备方面有好多成功的案例，，且针对镍基高温合金的增材制作也进行了大量的钻研，，但“资料–增材制作工艺–后续热处置–组织–机能”之间的匹配关系仍不是极度清澈。。。在今后的钻研中，，以下几个方面仍值得进一步关注。。。
1）镍基高温合金成分极度复杂，，且对增材制作工艺参数极为敏感，，厘清关键合金元素与增材制作缺点的关联关系对制备零缺点资料至关重要。。。
2）微观偏析是增材制作镍基高温合金中普遍存在的景象，，往往给资料的微观组织和力学机能带来不利的影响。。。通过优化合金成分和增材制作工艺参数来减轻或解除微观偏析景象是一个重要的关注点。。。
3）增材制作镍基高温合金资料怪异的微观组织给增材制作后续热处置工艺选择带来肯定的挑战性：：用于铸造或铸造镍基高温合金的通例热处置工艺将不再是最优的工艺规范。。。？⑿碌娜却χ霉ひ眨，通过对微观组织的调控，，获得高强韧增材制作镍基高温合金是一个艰巨的工作。。。同时，，拥有热–机械协同效应的热等静压技术单独或与其他热处置工艺相结合，，在解除冶金缺点和调控微观组织方面均拥有积极的成效，，有望成为提高增材制作构件机能的极度有远景的选择。。。
4）室和善高温强度、、委顿、、蠕变、、侵蚀及抗氧化机能均是镍基高温合金服役的重要指标。。。目前的钻研大多集中在室和善高温强度方面，，应进一步加强对增材制作镍基高温合金其他机能的评价。。。
5）镍基高温合金增材制作构件的研制是一个复杂的系统工程，，涉及资料、、粉体制备、、增材制作技术、、构件设计、、制作尺度等，，需进行全面系统的钻研，，以满足将来航天领域急剧发展的挑战。。。
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