夜雨聆风【通过氧化物纳米颗粒添加调控镍基高温合金的增材制造性与高温强度】
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论文题目：【Tailoring additive manufacturability and high-temperature strength in Ni-based superalloys via oxide nanoparticle additions】
期刊：【Materials Science & Engineering A】
DOI：【10.1016/j.msea.2026.150519】
发表时间：【Available online 30 May 2026】
作者：【Nan Zi，Kaisheng Ming*，Lei Cao，Bo Li，Huidong Wu，Jiayin Zhao，Wei Fang，Yi Ru，Yanling Pei*，Shusuo Li，Shengkai Gong】
研究单位：【北航杭州国际创新研究院；河北工业大学材料科学与工程学院高性能轧辊材料与复合成形全国重点实验室；天目山实验室；北京航空航天大学材料科学与工程学院】
关键词：【镍基高温合金；Y2O3 纳米颗粒；显微组织；力学性能；增材制造；激光定向能量沉积】
01｜摘要速览
Original Abstract
【增材制造 γ′ 强化镍基高温合金长期面临可打印性与高温强度之间的权衡。提高 Co 含量或降低 Al、Ti 和 Ta 含量可以减少增材制造过程中的开裂，但往往会削弱高温强度。本文表明，通过引入 Y2O3 纳米颗粒，可以在不牺牲实际激光定向能量沉积（LDED）工艺性的前提下，提高一种富含 Al、Ti、Ta 和 Co 的抗裂镍基高温合金的高温力学性能。研究采用共振声混合制备送粉原料，使 Y2O3 纳米颗粒均匀包覆在预合金粉末表面。基体合金含有约 30 wt% Co 以及较高的 Al + Ti + Ta 含量，在所研究的 LDED 工艺窗口内基本无裂纹。添加 1 wt% Y2O3 后，无裂纹加工窗口略有缩小，但并未改变主要相组成。除引入的 Y2O3 纳米颗粒外，面心立方 MC 碳化物、B2 结构富 NiAl 相以及 γ/γ′ 相均被保留，尽管检测到部分氧化物分解以及 Y/O 偏聚。固溶时效和热等静压（HIP）处理可提高 γ′ 析出相密度，同时对预先存在的相影响较小。HIP 处理后，含 Y2O3 合金在 1000 °C 下表现出显著提升的拉伸性能，屈服强度、抗拉强度和延伸率分别达到 285 MPa、380 MPa 和 16.5%，而不含氧化物合金分别为 122 MPa、167 MPa 和 8.3%。这些性能提升归因于 Y2O3 介导的位错运动和晶界滑移阻碍作用。该工作为规避镍基高温合金增材制造性与高温强度之间的权衡提供了一种有前景的路径。】
02｜💡创新点
【这篇文章的核心并不是简单地把 Y2O3 纳米颗粒作为常规弥散强化相加入镍基高温合金，而是把它放在“增材制造抗裂性-高温强度”这一关键矛盾中考察。作者选用一种约 30 wt% Co、同时保持较高 Al + Ti + Ta 含量的 γ′ 强化镍基高温合金作为基体，使其先具备较好的 LDED 抗裂工艺窗口，再通过 1 wt% Y2O3 纳米颗粒补偿高温强度损失。】
【从工艺角度看，高 Co 基体合金 ZGH 在所研究 LDED 参数范围内基本无裂纹；加入 Y2O3 后，裂纹敏感性上升、无裂纹窗口略收窄，但在 P = 2200 W、V = 960 mm/min 条件下仍可将裂纹长度密度降至约 0.1 mm/mm2，说明该策略并非以完全牺牲可制造性为代价。】
图1. ZGH 高温合金粉末的典型 SEM 图像
（a, b）ZGH 高温合金粉末；
（c, d）包覆 1.0 wt% Y2O3 纳米颗粒的 ZGH 高温合金粉末；
（e）对应的 Y、Ni、Co、Cr 和 O 元素 SEM-EDS 面扫描图。
图2. 采用不同增材制造参数制备的 ZGH-YO 样品在纵向 XZ 平面上的典型 OM 图像
（a, b）P = 2200 W、V = 960 mm/min；
（c, d）P = 2000 W、V = 720 mm/min。
（e）LDED ZGH-YO 中裂纹长度密度随扫描速度和激光功率变化的分布图，并叠加恒定体积能量密度等值线。
【显微组织上，Y2O3 的作用具有双重性：一方面，未完全分解的 Y2O3 纳米颗粒可在后续高温变形中阻碍位错运动和晶界滑移；另一方面，LDED 熔池中的高能输入会导致部分 Y2O3 分解，并诱发 Y/O 偏聚，从而可能促进固态开裂。因此，本文真正有价值的地方在于揭示了氧化物颗粒并非“只强化不影响工艺”，而是必须与基体成分、沉积参数和 HIP 后处理共同设计。】
图3(原文Fig. 10). HIP 处理后（a-d）ZGH 和（e-h）ZGH-YO 样品的显微组织
（a, e）OM 图像；
（b, f）EBSD-IPF 图；
（c-d, g-h）BSE 图。
（g）中的插图为晶界处 Y 元素的 SEM-EDS 面扫描图。
【性能结果是本文最直接的亮点。HIP 后，含 Y2O3 的 ZGH-YO 合金在 1000 °C 下屈服强度达到约 285 MPa、抗拉强度达到约 380 MPa、延伸率达到约 16.5%；相比无氧化物 HIP ZGH 的 122 MPa、167 MPa 和 8.3%，强度和塑性均有明显提升。这说明 HIP 能够愈合沉积缺陷并恢复塑性，而 Y2O3 纳米颗粒、MC 碳化物和 γ′ 相共同提供高温强化。】
图4(原文Fig. 12)
（a）ZGH 和 ZGH-YO 样品经 SA 或 HIP 处理后在 25 °C 和 1000 °C 下的工程应力-应变曲线。
（b）ZGH、ZGH-YO、CM247LC、IN939、IN738LC、SB-CoNi、ABD-850AM 和 ABD-900AM 高温合金在 1000 °C 下的屈服强度、抗拉强度和塑性的比较。
【机制上，作者认为高温强化主要来自多尺度障碍协同：纳米级 γ′ 相、残留 Y2O3 颗粒和 MC 碳化物共同阻碍位错连续滑移；同时，Y2O3 可抑制 1000 °C 变形中的晶界滑移和晶界迁移，使动态再结晶细晶组织不至于过度削弱高温强度。】
图5(原文Fig. 16)
HIP ZGH 样品在 1000 °C 拉伸断裂后的（a, b）明场 TEM 图像及 SADP 插图；HIP ZGH-YO 样品在 1000 °C 拉伸断裂后的（c）STEM 图像、（d）明场 TEM 图像和（e）EBSD-IPF 图，显示 Y2O3 纳米颗粒与 MC 碳化物周围显著的位错塞积，以及通过动态再结晶形成的细晶。
03｜实验材料及方法——复现要点
注：所有参数均来源于原文，仅供参考
04｜研料包的理解与思考
对于增材制造 γ′ 强化镍基高温合金而言，可打印性和高温强度通常是一对难以兼顾的矛盾：降低 Al、Ti、Ta 含量或提高 Co 含量有助于减少开裂，但往往降低 γ′ 强化能力和高温承载能力。本文将高 Co 抗裂基体与 Y2O3 弥散强化结合起来，提供了一个更接近工程问题的设计框架。
这项工作的启发在于，氧化物纳米颗粒在 AM 高温合金中不能被简单理解为“加入即可强化”的第二相。它们会参与熔池反应、可能发生部分分解、诱导 Y/O 偏聚，并改变裂纹敏感性；同时，保留下来的氧化物颗粒又能在 HIP 后高温变形中发挥位错钉扎和晶界稳定作用。
因此，文章形成了一条较完整的“成分设计-粉末表面修饰-LDED 工艺窗口-热处理缺陷修复-多相协同强化-1000 °C 性能提升”链条，对增材制造高温合金、ODS 合金以及航空发动机热端构件修复材料的设计都有参考价值。
如果面向航空发动机热端修复应用，LDED 工艺窗口、HIP 成本和 1000 °C 长时蠕变性能之间，哪一个会成为后续工程化的关键瓶颈？欢迎在评论区留言讨论
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