高Al/Ti镍基高温合金突破3D打印瓶颈:Cr如何破解“高强度与可打印性”的矛盾

长期以来，镍基高温合金一直是航空航天领域不可替代的关键材料，尤其是在航空发动机燃烧室、涡轮叶片等高温、高压环境服役的核心部件，依靠其优异的高温强度、抗蠕变性能和热稳定性发挥着重要作用。

其中，以γ′相（Ni₃Al）强化的镍基合金备受关注。研究人员通常增加Al和Ti等γ′强化元素含量，来促进这一相态的形成，从而显著提升合金的高温性能。然而，这也给金属增材制造带来了新的难题。

在激光3D打印过程中，需要经历快速熔化、凝固以及多次热循环，对于高Al/Ti含量镍基合金而言，Al元素偏析、低熔点相形成、γ′相快速析出等，都会增加裂纹形成风险。

这就是高性能镍基合金增材制造面临的一个长期矛盾：提高Al、Ti含量，可以获得更高的高温强度，但降低了材料可打印性；而通过降低Al、Ti含量改善打印稳定性后，又会牺牲其服役性能。

如何同时满足“高强度”和“易打印”，成为高性能镍基合金3D打印领域的重要挑战。

为此，天津大学研究团队提出了一种新的合金设计思路：通过提高合金中的Cr含量，调控Al元素在凝固和热循环过程中的行为，使高Al/Ti镍基高温合金兼具高强度和良好的增材制造性能。相关研究成果以“Enhanced printability and high-temperature strength of a high-Al/Ti Ni-based superalloy fabricated by additive manufacturing”为题发表于《Materials Science & Engineering A》。

https://doi.org/10.1016/j.msea.2026.150959

其实，GH4099本身具有较好的增材制造基础，研究人员通过增加Al元素，设计了两种改性合金：GH4099#1（5Al），Al含量提高至约5.11 wt%；GH4099#2（7Al），Al含量提高至7.18 wt%，并通过LDED制备出样品，系统分析了不同Al含量对组织演变、裂纹形成以及高温性能的影响。

合金的光学显微图像

结果表明，提高Al含量并不一定会导致合金失去打印性，在GH4099#1（5Al）合金中，材料未出现明显裂纹。

而当Al含量提高至GH4099#2（7Al）水平后，材料出现明显开裂现象：大量β-NiAl相在枝晶边缘形成，并成为裂纹萌生和扩展的起点。裂纹沿着β-NiAl相与基体之间的界面传播，从而降低合金稳定性。

为什么GH4099#1（5Al）能够在提高Al含量后仍保持良好的打印性能？答案来自合金中Cr元素对Al行为的调控。

通常情况下，高Al镍基合金在快速凝固过程中容易出现Al偏聚，形成局部富Al区域，该区域极易产生低熔点相，并增加裂纹风险。而在研究设计的高Cr GH4099体系中，Al原子更倾向于与Ni和Cr结合，Al-Cr和Al-Ni有效抑制了Al-Al的聚集，使Al均匀地分布在合金基体中。

分子动力学模拟也表明，在凝固过程中，Al原子会逐渐从初始聚集状态扩散到合金基体中，降低了元素偏析。

文献还通过凝固裂纹指数（SCI）进一步验证了这一现象，GH4099#1（5Al）的SCI值为4080 K，明显低于典型难打印镍基合金CM247LC（9016 K）和IN738LC（9737 K）。

由此得出，通过Cr调控Al行为，即使提高Al含量，也能够显著改善材料的增材制造适应性。

对于高Al/Ti镍基合金而言，另一个问题是γ′强化相析出过快。在3D打印过程中，材料经历快速冷却，γ′相大量析出时易与基体产生晶格失配，形成较大的局部应力。当这些应力积累到一定程度时，就可能诱发固态裂纹。

研究发现，高Cr环境下，Al-Cr之间可以形成更强的化学结合，使Al原子的扩散受到限制。通过第一性原理计算发现，当Al周围部分Ni原子被Cr替代后，Al扩散迁移能垒由3.41 eV提高至3.87 eV，进一步说明Cr能够明显降低Al的扩散能力。

这意味着Cr加入后，Al扩散受到限制，3D打印过程中的γ′析出速度得到控制，避免了γ′快速大量形成造成的应力集中，从而降低固态裂纹发生的概率。

与此同时，Al对于γ′的强化效果得到充分发挥。在900℃高温拉伸测试中，GH4099#1（5Al）合金抗拉强度达到571 MPa，相比原始GH4099约320 MPa的强度提升约78%，同时保持12%的工程应变能力。

在其中，Cr发挥了关键作用：一方面，Cr促进Al-Cr、Al-Ni结合，使Al均匀分布，减少凝固偏析和裂纹；另一方面，Cr又限制了Al的扩散，以调控γ′析出过程，提高组织稳定性。

GH4099#1（5Al）在增材制造和热处理不同状态过程中铝（Al）迁移行为的示意图

最终，研究团队实现了一种高Al/Ti镍基高温合金增材制造方案：GH4099#1（5Al）在900℃下实现了抗拉强度超过570 MPa，工程应变大于10%的较高性能。

该研究也为航空发动机、燃气轮机等高温关键部件的金属增材制造提供了一种新的材料设计路线：不是降低性能来适应3D打印，而是通过合金成分创新，让高性能材料真正适配增材制造。