西工大《JMST》：定向能量沉積制備稀土Y改性高溫合金的凝固裂紋形成機理！

1.背景介紹

Hastelloy X 是一種廣泛應用于航空發動機熱端部件的固溶強化型高溫合金，定向能量沉積（DED）技術因其高沉積效率，在大型構件制造與修復中具有顯著優勢。然而，增材制造過程中劇烈的溫度梯度和快速凝固易引發凝固裂紋，嚴重限制了合金的成形質量與力學性能。稀土元素Y通常被認為能夠凈化熔體、改善高溫性能，但其在增材制造條件下對凝固裂紋的影響卻存在爭議。現有研究關于稀土元素Y究竟是直接抑制還是間接促進凝固裂紋尚不清楚，同時其作用機制是否與其他合金元素（尤其是Mo）的晶界偏聚行為相關尚不明晰。

2.成果簡介

近期，西北工業大學李金山教授團隊通過多尺度表征結合DFT模擬計算，研究了定向能量沉積（DED）成形的稀土Y改性Hastelloy X（HX）高溫合金中出現的“反常”凝固裂紋行為。論文從Y對晶界偏聚與糊狀區溶質元素分配這一角度出發，系統比較了Y改性前后的DED-HX合金的開裂行為，以及（開裂）晶界處溶質元素析出、偏聚行為。首次從實驗上證明了稀土Y在高溫合金晶界上的偏聚行為，并通過DFT計算證明了Y與Mo元素的競爭關系，解釋了Y引起的凝固裂紋敏感性變化的微觀機理，為增材制造抗裂紋鎳基高溫合金成分設計提供理論依據。相關成果以“Unexpected solidification cracking behavior in yttrium-modified Hastelloy-X superalloy fabricated by direct energy deposition”為題發表于期刊Journal of Materials Science & Technology上。論文第一作者為博士研究生焦點，通訊作者為樊江昆教授，通訊單位為西北工業大學。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.12.039

3.圖文解析

研究研究圍繞Hastelloy X合金在定向能量沉積（DED）條件下的凝固裂紋問題展開，通過引入0.15 wt.% 稀土Y元素，構建了對比體系，并分別編號為HX及HX-Y。兩種合金的DED成形工藝在激光功率、掃描速度、送粉速率、掃描策略及保護氣氛條件等方面保持一致。

如圖1所示，未添加Y的HX合金整體組織致密，僅可觀察到零星分布的氣孔缺陷，而HX-Y合金中則形成了大量裂紋，單條裂紋長度可達毫米量級。通過掃描電鏡進一步觀察，證明HX-Y中的裂紋為典型的凝固裂紋。

圖1 DED樣品的光學顯微鏡表征：（a-c）HX；（d-f）HX-Y

圖2為兩種樣品的力學性能測試結果。HX合金在室溫拉伸條件下表現出良好的塑性變形能力，斷口呈現均勻細密的韌窩。相比之下，HX-Y合金的屈服強度雖有所提升，但延伸率大幅下降，斷裂模式從韌性斷裂轉變為脆性斷裂。

圖2 應力-應變曲線及拉伸斷口形貌：（a）室溫拉伸試驗應力-應變曲線；（b-c）HX斷口宏觀SEM圖像；（d-f）HX-Y斷口宏觀SEM圖像

為明確凝固裂紋與晶界特征之間的關系，如圖3所示，對HX-Y的開裂晶界進行了EBSD表征。結果顯示，凝固裂紋沿晶界擴展，且絕大多數開裂晶界的取向差分布集中在S-HAGB區間（25°-45°）。這一分布特征與高溫合金中凝固裂紋敏感晶界的統計規律高度一致，說明Y的引入并未改變凝固裂紋的原有形成機制，而是增強了這一微觀機制的宏觀表現。

圖3 開裂晶界的IPF圖及取向差測量

在更微觀尺度上，如圖4所示，通過TKD及EDS表征，發現在HX未開裂晶界及HX-Y開裂晶界上主要存在富Cr的M23C6型碳化物。

圖4 晶界TKD和EDS表征:（a-b）無凝固裂紋的HX隨機晶界；（c-d）HX-Y凝固裂紋晶界

由于兩種合金的晶界均可觀察到Cr富集的M23C6型碳化物，此外如圖5所示，該相在HX-Y開裂晶界上均普遍存在，表明其本身并非誘發凝固裂紋的決定性因素。并且不同裂紋晶界上M23C6的數量和尺寸存在明顯差異，但裂紋仍然發生，進一步說明裂紋形成與碳化物數量或尺寸并無直接對應關系，而更可能與晶界區域的成分狀態有關。

圖5 HX-Y中不同開裂晶界的TEM表征：（a-c）GB1；（d-f）GB2；（g-i）GB3

如圖6所示，HX-Y合金的裂紋晶界處額外出現了大量Mo富集的M6C碳化物，該相在未開裂的HX晶界中未被觀察到。

圖6 HX-Y開裂晶界的TEM表征：（a）HADDF；（b）EDS；（c）富cr相高分辨率圖像；（d-e）c中的FFT；（f）富Mo相高分辨率圖像；（g-h）f中的FFT

如圖7所示，通過三維原子探針技術（APT）對裂紋晶界處的元素分布行為進行了定量分析。結果表明，在HX-Y的開裂晶界處，Mo、C、B等元素均表現出明顯的晶界偏聚特征，同時檢測到Y元素在晶界區域的顯著偏聚。值得注意的是，Y元素并未進入M23C6或M6C碳化物內部，而是以晶界偏聚或Y2O3顆粒的形式存在于晶界或基體中，說明其對裂紋行為的影響并非通過直接形成脆性析出相實現。

圖7 裂紋GB的APT分析：（a）原子分布圖；（b）一維線濃度

如圖8所示，通過第一性原理計算進一步從原子尺度闡明了上述實驗現象的內在機制。對典型晶界模型的計算結果表明，Y在晶界處具有比Mo更低的偏析能，因而在熱力學上更傾向于優先占據晶界偏聚位點。由于晶界可供溶質偏聚的位點數量有限，Y在晶界上的優先偏聚行為降低了晶界對Mo的容納能力，使得部分Mo在凝固末期滯留于晶界附近液相中，導致局部Mo濃度升高。這一成分再分配行為促進了Mo富集M6C碳化物的形成，從而提高了凝固裂紋的形成傾向。

圖8 DFT建模

綜上所述，本研究通過多尺度表征與理論計算，系統研究了稀土Y對DED制備HX高溫合金凝固裂紋行為的影響。Y元素的晶界優先偏聚改變了Mo的分配路徑，減少了Mo在晶界上的偏聚行為，間接提高了糊狀區的Mo富集，最終誘發和加劇凝固裂紋。這一機制說明，稀土元素在增材制造高溫合金中的作用并非單一強化或凈化效應，而必須結合合金基體成分與凝固條件進行系統評估。

4.引用文本

D. Jiao, J. K. Fan, Y. L. Song, et al. Unexpected solidification cracking behavior in yttrium-modified Hastelloy-X superalloy fabricated by direct energy deposition. Journal of Materials Science & Technology, 2026, 267: 1-12.

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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