电子束粉床熔融制备镍基高温合金构件的研究进展

钱虎虓,梁啸宇,李 阳,阚文斌,林 峰

（1.中国航发动力股份有限公司，西安 710021；2.清华大学 机械工程系 清洁高效透平动力装备全国重点实验室 先进成形制造教育部重点实验室 生物制造与快速成形技术北京市重点实验室，北京 100084；3.清研智束科技有限公司，北京 102600）

镍基高温合金具有较好的高温强度与抗蠕变、抗氧化性能，是应用最多的一种高温合金[1]。镍基高温合金是涡轮发动机和燃气轮机中的重要结构材料[2-4]，航空发动机中其用量一般在总质量的40%～60%，主要用于燃烧室、导向器、涡轮叶片、涡轮盘等四大热端部件，也用在机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部件[5]。

镍基高温合金的成形方法中，传统的铸、锻包括粉末冶金等技术路线加工周期长，材料利用率不高，提高了材料的使用成本,也限制了应用范围。金属增材制造技术是一种新的解决方案，其无需模具、近净成形的特点十分符合当前的设计和制造需求。粉末床熔融技术在制件性能和尺寸精度方面最为突出，因此在复杂结构制造中最具优势，是最受重视的高价值镍基高温合金构件制备方法之一[6]。激光粉末床熔融（laser powder bed fusion，LPBF）技术已经在高温合金构件增材成形方面取得了相当的进展，并出现了一些代表应用，包括EOS 与Hyperganic 合作推出的Aerospike 一体化火箭发动机[7]、阿丽亚娜6 型火箭（Ariane 6）使用的集成式喷嘴头[8]、GE 公司使用钴基合金一体化成形LEAP 涡轮发动机使用的燃油喷嘴[9]等。电子束粉末床熔融（electron beam powder bed fusion，EBPBF）技术与LPBF 技术的原理类似[10-11]，采用电子束而非激光束完成逐层填充成形，得益于特有的散焦电子束快速扫描预热粉末床工艺，可以降低成形过程的凝固热应力，减少高裂纹倾向材料成形时的裂纹萌生，适用材料范围更加广泛[12]。英国罗尔斯-罗伊斯公司利用EBPBF 技术制造了 Trent XWB-97 发动机钛合金导向器，将原有的48 个导叶集成为了1 个完整部件，显著缩短了研发与制造周期，同时增加了设计灵活性[13]。意大利Avio Aero 公司利用Arcam 公司的设备批量生产了应用于GE9X 发动机的钛铝低压涡轮叶片，其质量约为传统镍基合金涡轮叶片的一半[14]。当然，EBPBF技术依然存在不足之处，如制件精度与表面质量不足、对后处理的依赖较大等。目前国内EBPBF 技术在航空装备领域的应用仍处于研究阶段，尚未获得装机应用[15]。虽然LPBF 目前比EBPBF 技术更加普及，近年来推出了大量的文献报道，成为增材制造领域的热点之一，但是EBPBF 技术在低应力、高效率等方面依然具有优势，其工艺能力和特点值得关注。

本文对EBPBF 的技术原理和工艺过程等方面作简要介绍，围绕高温合金为主题梳理EBPBF 技术不断完善的加工能力，从完成常见牌号如Inconel 718 合金成形进展到无裂纹难焊高温合金成形的发展过程，分析总结目前EBPBF 成形的镍基高温合金的相关性能，对今后的研究方向提出展望。

1 EBPBF 技术简介

EBPBF 技术是指利用高能电子束流熔化粉末床上的金属粉末颗粒从而逐层融合材料完成零件实体的成形技术。电子束粉末床熔融设备一般由电子枪系统、真空系统、供粉和铺粉系统构成。图1 展示了设备的基本组成和电子束粉末床熔融的工作原理[16]，包括：（1）粉层铺设，在基板上铺展一定厚度的粉末，在铺第一层粉末之前，一般先对基板进行预热，基板的预热温度根据成形材料需求通常为600～1100 ℃，这样有利于保持整体粉床的温度，以防止由于热应力而产生裂纹及吹粉现象的发生；（2）粉末预热，利用散焦的电子束快速扫描粉床进行预热，粉床的预热温度视粉末材料而定，该过程使粉末产生“微烧结”，防止粉末飞溅和吹粉现象；（3）成形扫描，根据设定的扫描路径扫描成形零件的一层截面，使零件截面内的粉末充分熔化形成致密的结合；（4）成形平台下降，下降的高度决定了下一粉层的厚度，可以根据产品的形状特征调整每个粉层的厚度以实现成形速度和质量的最佳平衡；（5）重复以上步骤实现零件的制造。

图1 电子束粉末床熔融（EBPBF）设备（a）和工艺步骤示意图（b）[16]Fig.1 Electron beam powder bed fusion（EBPBF）equipment（a）and schematic diagram of process（b）[16]

因为电子束的穿透能力很强，可以完全熔化较厚的粉末层。在EBPBF 工艺中，铺粉层厚通常超过75 μm，甚至可达到200 μm。在提高沉积效率的同时，电子束依然能够保证良好的层间结合质量。同时，EBPFBF 技术对粉末的粒径要求较低，可成形的金属粉末粒径范围为50～150 μm 甚至更广，能够降低粉末耗材成本。这些特点赋予了EBPBF技术在制造业广阔的应用前景。

目前处于国际领先地位的EBPBF 装备供应商为GE additive 集团的Arcam 公司，现已推出了A1、A2、A2X、Q10、Q20、Q20plus、SpectraH、SpectraL等不同型号EBPBF 成形装备。近年来，得益于GE 公司在应用推广和批量生产方面的诸多成果，更多装备制造企业开始EBPBF 的装备研发。瑞典Freemelt 公司开发了用于研究和开发增材制造金属材料的Freemelt one 系统。英国Wayland additive公司提出了“电中和”方式抑制电子束选区熔化技术的“吹粉”问题，将该技术应用于其最新的Calibur3 设备。日本JEOL 借鉴电子显微镜和电子束光刻系统中开发的半导体制造技术，开发了具有高功率、高密度和高扫描速度的电子束金属增材制造设备——JAM-5200EBM。在国内，清华大学最早开始开展电子束选区熔化装备的研制工作，开发了EBSM-150 型装备，并逐步迭代升级，促进了我国电子束选区熔化领域的快速发展。清研智束科技有限公司依托于清华大学进行技术的产业化工作，推出了QBeamLab、QBeamAero、QBeamMed 等型号装备。西安赛隆金属材料有限公司依托西北有色金属研究院的研究基础，逐步推出了商业化S200 型、Y150 型粉末床电子束3D 打印设备等。北京航空制造技术研究院也推出了自主生产的EBPBF 装备。

对比LPBF 技术，EBPBF 技术具有以下优势：

（1）电子束的功率较激光束大，能提高成形温度，抑制冷裂纹的发生，实现室温脆性、焊接性能较差材料的制备。

（2）能量利用率高，激光的能量利用率通常为10%左右，而电子束则为50%左右。

（3）电子束则采用电磁线圈进行偏转，较振镜系统的可控程度更高、调节能力更强，能够实现电子束的聚焦程度、扫描速度、扫描方向、扫描电流的高效精密调控。

（4）电子束聚焦不受金属蒸汽影响，熔化金属材料时，金属蒸汽会在成形空间内的物体表面镀上金属薄膜，激光的聚焦和偏转将受到影响，而采用电磁线圈聚焦和偏转的电子束不会受到影响。

（5）电子束系统一般采用真空成形条件，样品不易污染，氧含量控制也更优异。

2 镍基高温合金的EBPBF 制备

EBPBF 技术在高温合金制备中的价值很早就得到了关注，学者们在技术发展的前期主要围绕着可焊镍基高温合金的成形可行性以及成形材料的质量做了相关工作。目前利用电子束粉末床熔融技术制备镍基高温合金的主要研究单位包括美国GE additive 集团Arcam 公司、橡树岭国家实验室、劳伦斯国家实验室、德国马普所、埃尔兰根-纽伦堡大学，日本东北大学等，国内研究团队有清华大学、北京航空航天大学、空军工程大学等。

2.1 可焊高温合金的致密化

利用EBPBF 技术成形镍基高温合金的研究工作最早可以追溯到德国马普所的Strondl 等[17–20]自2008 年起报道的系列工作，实现了利用电子束粉末床熔融增材制造方法成形Inconel 718[17]，并分析了热处理工艺对组织状态的调控效果[18]；在成形γ″沉淀强化型镍基高温合金Inconel 718 的基础上，他们又对固溶强化型镍基高温合金Inconel 600 和γ′沉淀强化型镍基高温合金Udimet Alloy 720（UD720）开展了EBPBF 成形实验，并与铸造和定向凝固的成形方法进行了比较[19]，不过UD720合金因为粉末粒径过于细小，存在大量直径小于1 μm 的粉末，引发了强烈的吹粉现象[20]，最终成形失败。Murr 团队[21]于2011 年报道了利用电子束粉末床熔融增材制造方法成形Inconel 625 的研究，值得注意的是，这项研究中使用的粉末粒径较小，接近于LPBF 技术所使用的粉末粒径（平均粒径22 μm），并于之后采用粒径44～120 μm 的粉末实现 了Inconel 625 点 阵结构的打印[22]。Körner 团队[23]深入分析了EBPBF 成形高温合金时的工艺参数和成形质量的关系，并表征了不同参数下的成形材料微观组织。通过比较不同的束流功率、偏转速度和束斑尺寸后，确定了可以获得完全致密并且表面平整Inconel 718 试样的EBPBF 工艺参数窗口[24]。

2.2 难焊高温合金的裂纹抑制

Inconel 718 和Inconel 625 等材料是常见的可焊高温合金牌号，其应用范围很广，但高温性能仍有局限。为了得到更好的高温蠕变性能，更多高温合金成分设计中增加了Ti、Al 等元素，从而促进γ′-Ni3（Ti，Al）强化相的形成。Ti、Al 等元素增加了焊接的难度，同时也提高了对增材制造工艺的要求。LPBF很难实现无裂纹的难焊高温合金成形[25]，而EBPBF体现了较好的难焊高温合金加工能力，已经实现了多种不同牌号的难焊高温合金无裂纹高质量成形。Ramsperger 等[26]实现了不同组织状态的CM247 的EBPBF 成形。橡树岭国家实验室的研究者基于EBPBF 打印Inconel 738 的试块的能力[27]，对成形过程进一步优化实现了工业燃气涡轮发动机的原型叶片制造并用于发动机热态考核评估[28]。彭徽团队[29]完成了Ni3Al 基高温合金IC21 的EBPBF 成形，并指出通过扫描中的跳线方法以及降低扫描速度能够成功地抑制裂纹的生成。林峰课题组[30-31]先后报道了利用EBPBF 实现无裂纹的难焊高温合金Inconel 738 和Inconel 939 的成形，并指出了工艺参数与成形缺陷的联系，通过控制粉末床预热温度和扫描策略，清华大学与清研智束公司联合研发了M247 的EBPBF 工艺方法，完成了无裂纹燃机涡轮叶片EBPBF 成形。

3) 初始矩阵S0。系统OK元素为1时的矩阵。马尔科夫矩阵每行的数值相加都为1，但是每列相加就不一定为1。该情况是因为马尔科夫矩阵行的意义为表示系统在在一个固定时间内，与其中元素的取值单位有关，一般计算中每个元素的单位为h-1。由一个状态向其他状态转换或保持自身状态的概率。

因为EBPBF 成形后的组织状态可能处于非热力学平衡状态，同时沿着成形方向沉积体的温度情况不同，所以微观组织在高度方向上不均匀，同时在使用不同的系列工艺参数以及制粉过程带来的粉末成分的轻微差异会导致组织状态变化，成形过程中出现的缺陷以及易热裂材料中的裂纹都会降低试样的力学性能，工艺过程的分析和优化成为研究的重心。

2.3 工艺特点分析

EBPBF 技术能够将粉末床的成形幅面加热到1000 ℃甚至更高，这种高温状态能够有效地抑制成形材料的残余应力，研究显示EBPBF 对比激光定向能量沉积工艺制备的材料残余应力显著降低[32]。一般而言，增材制造零件表面会因为凝固收缩产生拉应力，这种拉应力对于零件的疲劳性能等有着不利影响，减少增材工艺中残余应力对于改善性能是有利且必要的[33-34]。对于高温合金尤其是难焊高温合金而言，其热裂纹敏感性是加工过程中的一大障碍，裂纹的形成很大原因是成形过程中液膜的出现与残余应力的影响，在大角晶界处造成开裂。EBPBF 成形镍基高温合金时，可以通过改变工艺参数来调整凝固路线，调控组织状态形成更耐热裂纹的细晶结构；同时EBPBF 过程中产生的应变可以被高密度的晶界所容纳，从而减少在凝固的最后阶段因为成分偏析而形成的液膜[35]。这种抑制裂纹的能力赋予了EBPBF 对于高温合金加工更强的适应性，随之而来的工艺区间拓展赋予了单晶体成形的可能性。不过因为成形中始终保持的高温粉末床状态使得材料经历了类似原位热处理的过程，同时由于高温合金材料复杂的组织状态，这种潜在的组织不均匀性依然未能得到解决。一方面，这种不均匀性带来了EBPBF 成形态高温合金的后处理必要性；另一方面，如何规避或者利用这种原位热处理也是一个值得关注的角度。

3 工艺过程与控形控性

3.1 热历史与组织均匀性分析

Strondl 等[17]的先驱工作指出了EBPBF 成形方向上的微观组织不均匀性，这种不均匀性在拉伸性能测试中得到了体现[36]。美国德州农工大学和橡树岭国家实验室的学者们[37]对此进行了深入分析，测量了打印过程中试块的温度历史，并首次将打印过程中的温度变化与力学性能做出关联。沿着打印方向，越接近底部的沉积体中δ 相的粗化越为明显，成形时的温度历史影响了强化相的析出规律。Kirka 等[38]分析了EBPBF Inconel718 的微观结构梯度和对应的拉伸性能梯度。微观结构梯度可以分为三个不同的区域：顶部由树枝状亚晶结构组成，包括枝晶间的碳化物和Laves 相；中间存在着过渡区，其特点是枝晶结构的扩散，Laves 相的溶解，以及枝晶间δ 针状相的析出；底部的成形块是由柱状晶粒结构组成，晶粒内部析出了网状δ 相。在室温（20 ℃）和高温（650 ℃）下，屈服强度、极限抗拉强度和断裂时的伸长率都呈现出随着打印高度增加而增加的一般性趋势。Deng 等[39]定性地讨论了打印中凝固条件与“原位热处理”对微观组织梯度的影响规律。打印的终末段即试样顶部，Laves 相在最后几层中因为偏析产生了不均匀分布的情况，而在试样的其他部位，Laves 相自上而下逐渐减少，因为试样底部接受了类似退火的原位热处理，不过硫化物/氮化物/碳化物等析出物几乎不受后续热历史的影响。

成形材料的均匀性和各向同性始终是增材制造逐层构建过程中关注的重点。Karimi 等[40]分析了单层多道扫描和多层单道扫描中热循环对成形状态的影响。Sun 等[41]利用EBPBF 制造了Inconel 718 合金棒，其中试样轴向与打印方向相差0°、45°、55°和90°，并研究了不同打印方向的微观结构和高温拉伸性能，发现倾斜打印的试样展示出了最佳的力学性能。炉次间的可重复性是打印工艺可靠性的核心要求，然而研究显示，同一炉次中制备的试样也可能因为试样布局位置的差异带来组织乃至性能上的差异[42]。布局位置带来的成形误差以及试样轮廓质量等因素导致材料在疲劳测试中表现出了更强的分散性。考虑到反复扫描过程中熔道的叠加，轮廓扫描时重熔较少而填充扫描时重熔较多，EBPBF 成形Inconel 718 时还会出现轮廓区域与填充区域微观组织的区别[43]。

3.2 工艺参数与晶粒结构调控

EBPBF 技术可以通过工艺参数的精细控制实现不同织构的组织状态。美国橡树岭国家实验室的研究团队通过改变填充工艺参数，实现了包括晶粒[001]方向平行或垂直于打印方向以及完全随机织构的三种不同组织状态，其中，晶粒[001]方向平行于打印方向的状态已经达到了以7.5°的工业级单晶标准的组织质量[44]。这为后续的关于EBPBF 单晶制备的相关研究[45]做出了铺垫。Dehoff等[46]通过改变填充工艺中电子束热源的状态（点状和线状热源模式快速变化）以促进稳态和瞬态热梯度和液/固界面迁移速度，演示了一种精细的区域微观组织控制方式。EBPBF 工艺中最常用的标准填充策略容易生成典型的柱状晶结构，而点状热源填充方案可以提供更丰富的影响EBPBF 材料织构的能力。利用这种点热源策略同时改变相关的工艺参数制备Inconel 718 时，材料在凝固成形时可以自由形成柱状或等轴晶粒结构[47-48]。对比标准的往复线性扫描制造的柱状晶粒材料的各向异性，使用点状热源填充的等轴晶粒材料展示出各向同性的力学行为[48]。Helmer 等[49]对填充间距与扫描方向等工艺参数做出了具体的实验和仿真分析，并指出打印工艺对组织状态的影响是通过在凝固过程中改变热梯度的方向来实现的。如果热梯度与打印方向保持一致，柱状晶粒结构就会生长。

Polonsky 等[50]基于实验表征和热力学仿真分析了扫描策略对于EBPBF 成形过程中微观组织演化，阐述了晶粒成核和外延生长二者竞争过程的具体机制。Lee 等[51]针对EBPBF 成形Inconel 718工艺参数细节进行了探索，分析了扫描速度、束流功率、散焦电流（束斑尺寸）对成形态样品的致密度、微观组织与力学性能的影响。控制散焦电流可以改变束流的几何形状进而改变熔池的形态，这对晶粒的外延生长有直接影响。将散焦电流逐渐扩大后，γ″沉淀物的尺寸逐渐增加。较高的散焦电流带来的强〈100〉织构的柱状微观结构以及与γ″颗粒强烈相互作用而产生的高密度位错可以显著提高材料的蠕变性能[52]。

3.3 单晶体直接成形

还有其他研究团队也进行了单晶成形的探索。南洋理工大学的研究者们开展了EBPBF 工艺对镍基高温合金单晶体的试制[60]，由于打印高度的局限性（3 mm），在成形样品中只能看到柱状晶的微观组织，同时在样品中还出现了大量的裂纹。EBPBF 制备单晶体需要利用晶粒的竞争生长机制[61–63]，打印中会出现一个选晶段，在这个区间中具有优势取向的晶粒逐渐替代其他晶粒，实现从多晶体到单晶体的转变。空军工程大学的研究团队使用国产化设备尝试了单晶牌号镍基高温合金DD407 的EBPBF 成形，探索了裂纹控制和强化相的调控[64]。在进一步的研究中发现，基板的材质与取向对单晶体成形过程有着直接影响[65]。采用〈001〉取向平行于打印方向的单晶体基板，外延生长容易维持从而促进单晶体直接成形，其他取向的单晶体基板带来了杂晶，限制了单晶体的成形。北京航空航天大学的学者实现了EBPBF 工艺使用René N5 粉末对CMSX-4 单晶体的修复工作[66]。

3.4 热处理与表面处理

热处理对高温合金的性能十分重要，前述的很多研究[18，21，36，67–69]中都提及了对EBPBF 成形态材料进行热处理后其组织与性能的变化。大部分文献里使用了工业标准的热处理方案，也有部分学者对不同牌号的EBPBF 镍基高温合金的热处理方法进行了具体研究。Unocic 等[70]对EBPBF Haynes 282 的热处理进行了分析评价，比较了一步和两步热处理方案，发现热处理可以调控成形时析出的γ′沉淀物的尺寸和形态，并指出了工艺参数优化和热处理制度耦合的必要性，以控制晶粒中和晶界处的γ′和碳化物析出物的形成从而提高合金的高温性能。Goel 等[71]对EBPBF Inconel 718 的热处理进行了研究，分析了轮廓和填充区域的调控效果差异。填充区域表现出柱状晶粒，在打印方向上有很强的〈001〉织构，而轮廓区域有柱状和等轴晶粒的混合，没有明显织构。热等静压可以导致填充区和轮廓区的缺陷含量减少近一个数量级。热等静压加热处理的方案导致了轮廓区的晶粒粗化，但没有改变填充区的微观结构。填充区域和轮廓区域的碳化物在热处理后重新析出并且尺寸形态接近。Li 等[72]研究了EBPBF Inconel 738 的热等静压与热处理，分析了针对铸造Inconel 738 所设计的标准热处理在EBPBF Inconel 738 上的适用性和必要性。成形态晶粒的形状在热等静压中出现变化，但在固溶热处理中没有改变。热等静压工艺促使更多的碳化物析出，而在固溶+时效热处理中，碳化物从MC 变为M23C6，γ'相从成形态的立方形变为球形。Ramsperger 等[26]对EBPBF M247 进行了热等静压和热处理研究，采用短时过固溶热处理即可取得良好的均匀化效果，热等静压加热处理的方案使得细密的碳化物呈链状均匀分布在晶界处，有助于提高材料抗蠕变能力。

部分学者报道了关于表面质量的后处理研究。Zafer 等[73]研究了利用热等静压调控成形缺陷尤其是表面缺陷的效果，并尝试了涂层后进行热等静压的方法来改善表面缺陷控制效果。但是因为成形态样品的粗糙度过大，涂层并不能很好地与表面结合，因此表面缺陷愈合的效果依然不佳。Zhao 等[74]研究了表面缺陷和机加工去除深度对EBPBF Inconel 718 样品力学性能的影响。与成形态和浅加工（只去除外表面）的样品相比，深加工（进一步增加切削深度）样品的屈服强度、极限拉伸应力和延展性都大大提高。

4 EBPBF 镍基高温合金的性能分析

4.1 静态力学性能

EBPBF 成形的各牌号镍基高温合金的室温或高温下的力学性能已有广泛报道（见表1 和表2）。可以看出文献中报道的各种EBPBF 高温合金的性能具有一定的分散性，因为工艺参数和组织的密切关系，同时结合打印过程中整体的温度历史演变与局部微熔池凝固条件差异，EBPBF 高温合金的组织不均匀性会反映在材料的力学性能中。从打印的不同高度取试样，其拉伸性能响应并不一致[75]。通过在改变参数制备出的等轴晶或柱状晶的成形态样品中分别取横向和纵向的试样测试其拉伸响应，材料的弹性模量和强度表现出强烈的各向异性[68]。Sun 等[41]分析了Inconel 718 不同打印方向的力学性能，在〈111〉方向的试棒上获得了最高的强度。晶体方向的各向异性、柱状晶粒结构和沉淀相的排列方式等因素带来了强度对试样方向的关联性。Al-Juboori 等[69]研究了EBPBF 718 的拉伸性能发现力学响应随扫描速度的变化影响很小，因此通过更高的扫描速度可以实现更高的打印率。Gotterbarm 等[76]研究了利用小尺寸试样作为评估EBPBF 制造部件断裂行为的有效和实用方法。Gamon 等开展了9 种AM 工艺制备Inconel 625的研究，并评价了材料的硬度[77]。Zhao 等[74]分析了表面质量对于拉伸性能的影响，去除表面缺陷后材料的延展性得到了显著的改善而且强度也有所增加。随着技术与工艺的发展，目前材料的性能已经达到甚至超过了铸、锻态同类产品的水平，显示了新型加工方式的优势。

表1 文献报道的部分EBPBF 镍基高温合金的室温下静态力学性能Table 1 Tensile properties of EBPBF nickel-based superalloys at room temperature from literature

表2 文献报道的部分EBPBF 镍基高温合金的高温下静态力学性能Table 2 Tensile properties of EBPBF nickel-based superalloys at high temperature from literature

4.2 疲劳与蠕变性能

除了基本的静态力学性能外，镍基高温合金的抗疲劳性能和抗蠕变性能也是服役场景中的关键指标。

EBPBF 成形的镍基高温合金的疲劳性能具有明显的与取样方向和微观结构的关联性，虽然垂直打印方向的等轴晶试样性能不佳，但是沿打印方向取的柱状晶试样的低周疲劳性能优于锻态试样[68]。当加载轴平行和垂直于柱状晶粒时，EBPBF Inconel 718 的织构和柱状晶粒的微观结构显示出各向异性的抗保载疲劳裂纹能力。平行于柱状晶界的加载比垂直于柱状晶界的加载具有更好的抗停留疲劳开裂能力。当驻留疲劳裂纹路径到达高角度晶界时，裂纹变为晶间；而裂纹可以通过低角度晶界传播而不改变其传播方向。热处理也会影响EBPBF 单晶镍基合金试样的高温低周疲劳行为，研究发现经热等静压后材料的疲劳寿命明显高于普通材料的疲劳寿命。热等静压结合固溶热处理能够使低周疲劳寿命进一步延长。导致失效的裂纹发生在层间结合的界面上或在凝固过程中产生的微孔上，对于经过HIP 处理的试样，愈合后的孔隙附近沉淀相是裂纹的主要萌生源[84]。同样的样品在超高周疲劳测试中性能远超通过精密铸造成形的样品[85]。不过，其他研究显示单独的固溶时效热处理似乎对EBPBF Inconel718 的疲劳性能改善有限[86]。

Kuo 等表征了LPBF 和EBPBF 制造的Inconel 718 合金试样的蠕变性能（图2）并进行了比较研究[87-88]。LPBF 较高的冷却速率导致了高位错密度和枝晶间沉淀相，所以蠕变性能较差。而EBPBF 材料具有低位错密度、均匀分布的δ 沉淀物和明显的〈001〉织构。直接时效的EBPBF 试样的蠕变寿命接近1100 h，与传统的铸锻合金在650 ℃时的蠕变寿命相当。晶粒方向平行于应力轴的柱状材料通常具有优异的蠕变性能，经热等静压（HIP）后处理的EBPBF Inconel 718 的最小蠕变率和蠕变断裂寿命进一步得到改善。经过适当的沉淀热处理后，EBPBF 的单晶体镍基高温合金能够超出传统铸造材料的蠕变性能[89]。

图2 Inconel 718 的蠕变测试曲线（EBPBF：电子束粉末床熔融；LPBF：激光粉末床熔融；C&W：铸锻）[87]（a）成形态；（b）固溶+时效；（c）直接时效Fig.2 Creep test curves of Inconel 718 (EBPBF：electron beam powder bed fusion,LPBF：laser powder bed fusion,C&W：casting and wrought)[87]（a）as-built(AB)；（b）solid solution+aging(STA)；（c）direct aging(DA)

5 结论与展望

近年来，逐渐丰富的关于EBPBF 高温合金的研究推动了EBPBF 技术的发展。

（1）在十余年的发展过程中，EBPBF 技术突破了以Inconel 718、Inconel 625 为代表的高温合金材料与构件的成形瓶颈，并且不断延伸能力，可以在高真空高温度低应力状态下成形高γ′相比例难焊镍基高温合金甚至直接制备镍基高温合金单晶体，成形材料的性能达到甚至可以超过传统铸锻材料的水平。

（2）EBPBF 技术能够将粉末床的成形幅面加热到1000 ℃甚至更高，这种高温状态有效地抑制了成形材料的残余应力，更大的成形窗口赋予了工艺参数调整的空间，通过凝固路线的设计，组织状态能够形成更耐热裂纹的细晶结构，同时真空状态成形减少了材料氧化，因此对比LPBF 技术在成形裂纹敏感型材料中更具优势。

（3）在现有的研究中，针对工艺的报道相对丰富，围绕着致密化、裂纹抑制、组织状态调整等目标开展了大量工作，关于材料的后处理、性能测试与评估等研究较为有限，需要更多的关注。

航空航天等高复杂度高附加值产业对于增材制造是天然适配的场景，目前领域中涌现的若干重大需求，包括难加工材料（钛合金、高温合金、金属间化合物）的低成本快速制造与修复、复杂结构难加工制件（例如含有内流道冷却结构的涡轮叶片）的成形方案、新型结构（例如金属点阵多孔结构）的设计制造一体化方法等，对增材制造技术与工艺的改进与发展提出了迫切需求。

除了工艺实验研究，考虑粉末从熔化到凝固过程中各种物理现象所建立的仿真分析模型也得到了越来越多的重视。粉末成分设计与质量评估、优化对改善成形工艺过程和材料性能也有重要的意义。

随着材料与零件的要求不断提升，对电子束粉床熔融装备的要求也在增加。开发大型阵列化电子枪设备，增加大型零件的成形能力；设计制造超高压电子枪系统，改善电子束聚焦状态，提高成形效率与质量；开发自主可控的工艺控制软件，提高复杂截面路径规划能力、强化复杂加工场景设备稳定性等，将是技术与装备的主要发展方向

目前EBPBF 成形镍基高温合金的可行性与技术特点已经得到了充分展示。在今后的发展中，逐步建立增材制造“设计-材料-工艺-组织-性能”的一体化研究开发框架，提高高温合金关重部件的“控形控性”能力，增强生产过程的一致性与可靠性，是将技术与产品推向更广阔应用场景的重点。