增材制造技術（additive manufacturing techni-que，AM）是基于離散–堆積原理，采用零件三維數據驅動直接制造零件的快速成形技術，其主要工藝過程為數據建模、模型數據轉換、打印成形、后處理。相對于傳統的減材制造（切削加工）技術，增材制造技術是一種“自下而上”材料累加的制造方法 [1?2] ，具備材料利用率高、加工周期短、成形復雜零件能力強、一體化成形等諸多優勢，可以更好滿足當前制造業綠色、環保、智能化的發展趨勢，因而受到學術界及產業界的廣泛關注 [3?4] 。

GH4169 是以 γ 相為基體相，通過在 γ 基體中析出 γ″相（Ni 3 Nb）和 γ′相（Ni 3 (Al,Ti)）來強化的沉淀強化鎳基高溫合金 [5] 。由于其在高溫下具有較高的強度、抗蠕變性、抗氧化性、抗腐蝕性以及良好的疲勞壽命而被廣泛用于發動機零部件、核反應堆、燃燒室和腐蝕性容器等[6?8] 。盡管 GH4169具備良好的加工性能，但在制備具有復雜形狀、輕量多孔等要求的零部件時，采用傳統加工方法仍然受到限制，利用增材制造技術可解決復雜零件制備難題，使得增材制造成形 GH4169 備受重視。

本文總結了國內外選區激光熔化（selective laser melting，SLM）成形 GH4169 合金的研究現狀，主要介紹了選區激光熔化成形 GH4169 合金存在的球化、孔洞等常見缺陷的形成機理及工藝控制現狀，重點歸納了選區激光熔化成形工藝參數、制件后處理及顆粒增強等組織調控方法對選區激光熔化成形 GH4169 合金組織性能的影響規律，最后從工藝控制趨勢、材料強化設計等方面對選區激光熔化成形 GH4169 合金進行展望。

1、選區激光熔化成形 GH4169 合金

1.1  選區激光熔化技術

選區激光熔化技術是當前應用最廣泛的金屬增材制造技術之一。該技術利用激光束逐層熔化金屬粉末，然后快速冷卻成形，可以克服幾何限制制造出近乎完全致密且性能優良的復雜零件 [9?10] 。選區激光熔化成形原理圖如圖 1 所示，其成形過程分為 5 個步驟 [11?12] ：（1）建立零件三維模型（模型建立）；（2）利用切片軟件對三維模型進行分層切片處理，將三維模型離散化（切片離散）；（3）在成形艙基板上進行鋪粉，并通入惰性氣體防止發生氧化反應（鋪粉通氣）；（4）根據設定的激光參數和掃描路徑熔化金屬粉末，形成致密凝固層，每層掃描結束之后，升降臺下降一個層厚的高度，利用鋪粉系統重新鋪上一層金屬粉末，激光束根據設定的激光參數和掃描路徑，重新進行掃描熔化金屬粉末（掃描熔化）；（5）重復步驟（4），直到完成整個零件的打印（重復掃描）。

選區激光熔化、鍛造和鑄造成形特點如表 1 所示。與傳統鑄造和鍛造成形相比，選區激光熔化技術更適合滿足定制化、結構復雜化零件的制備需求。

1.2  選區激光熔化成形 GH4169 合金中現存問題

選區激光熔化成形 GH4169 合金中會存在球化現象、孔洞缺陷和殘余應力等常見問題，此類問題的存在將對 GH4169 性能產生極大影響。

1.2.1  球化現象

球化現象是選區激光熔化成形 GH4169 合金過程中常見的冶金缺陷，如圖 2 所示。球化現象產生的原因主要分為兩種：一種是由于激光能量過低，熔池溫度降低，表面張力增大，對金屬粉末濕潤不足，導致金屬在基體上分布不均勻而產生的球化。

另外一種是由于金屬粉末接受過多的激光能量造成能量過飽和，部分能量會轉變為動能，產生液滴飛濺，金屬液冷卻凝固為金屬球分布在基體上產生的球化現象 [22] 。

球化現象的產生會在一定程度上影響后續鋪粉的平整性，導致熔化不均勻從而引起孔洞等冶金缺陷；球化的存在還會引起成形件表面粗糙度上升、相對密度下降等問題，進一步影響成形件的疲勞強度和抗拉強度等力學性能 [23] 。通過工藝調控來改善球化現象是最常用的方法之一。賈清波 [23] 和張穎等[24]研究不同線能量密度對選區激光熔化成形GH4169 表面形貌及相對密度的影響，發現在較低線能量密度下，會產生球化現象，進而導致成形件表面形貌較差，相對密度較低；隨著線能量密度的增加，球化現象改善，試樣表面形貌和相對密度明顯變好。Balbaa 等 [25] 研究了不同激光功率和掃描速度對選區激光熔化成形 GH4169 表面粗糙度的影響，發現在低激光功率和高掃描速度時會產生不連續熔道和球化現象，適當地增加激光功率，降低掃描速度可以改善球化現象，降低成形件的平均粗糙度。

1.2.2  孔洞缺陷

選區激光熔化成形 GH4169 合金常見孔洞缺陷可根據形態分為兩種：第一種是在熔融過程中保護氣體未及時逃逸或熔融金屬粉末過程中產生金屬蒸氣形成的球形孔洞，大多成球形或近球形，形狀相對規則；第二種是由于激光能量不足、粉末顆粒不均勻而缺乏熔合形成的匙形孔洞，此類孔洞形態多為不規則狀 [26?27] 。

孔洞的存在會對成形件硬度、抗拉強度、抗彎強度等力學性能產生極大的負面影響。目前，最常見的孔洞缺陷控制方法之一是工藝調控，在一定范圍內進行工藝參數的調控并進行工藝優化，具有改善熔化和減少孔洞缺陷的效果。Moussaoui 等 [26] 研究了不同能量密度對選區激光熔化成形 GH4169 合金孔隙率的影響，發現隨著能量密度的增大，孔隙率下降，這主要歸因于較大的能量密度對粉末的熔化充分，孔洞缺陷得到改善。張國會等 [27] 研究了不同掃描速度對選區激光熔化成形 GH4169 合金孔隙率的影響，發現掃描速度過低時，組織內產生圓形的氣孔；掃描速度過高時，組織內會有不規則形狀的孔洞產生，合理調控掃描速度有利于減少孔洞等缺陷的產生。Wang 等 [28] 調控激光掃描速度從 1450 mm?s ^?1 降低到 1000 mm?s ^?1 ，平均孔隙率從0.13% 降低到 0.06%。

1.2.3  殘余應力

在選區激光熔化成形 GH4169 合金過程中，激光束熔化金屬粉末發生冶金反應，并快速冷卻凝固，在熔池、凝固層和基板中產生極大的溫度梯度，不均勻的溫度場會產生一定的殘余應力。殘余應力的存在會導致成形件彎曲變形、開裂、以及成形件和基板分離等弊端 [29] 。為了減小殘余應力對成形過程、制件性能與服役的不利影響，對選區激光熔化成形件的殘余應力進行研究和調控是很有必要的。能夠改善殘余應力的方法有很多，除了工件本身的性質外，激光重熔 [29] 、后處理 [30] 以及調整掃描策略 [31]等方式也可以用于改善殘余應力。程勇 [29] 通過調控激光重熔的掃描速度為 2000 mm?s ^?1 ，與未進行重熔的成形件相比，將殘余應力從 527 MPa 減小到 350 MPa，下降了 33.6%。Lesyk 等 [30] 研究了滾磨加工、噴丸處理、超聲噴丸處理和超聲沖擊處理等后處理方式對選區激光熔化成形 GH4169 殘余應力的影響，發現經后處理后，殘余應力由拉應力轉變為壓應力，有利于疲勞、摩擦磨損及耐腐蝕等性能的提升。

2、選區激光熔化成形 GH4169 合金的影響因素

2.1  工藝參數

工藝參數是調控選區激光熔化成形 GH4169 合金組織和性能的主要方式之一，不同工藝參數的調整和搭配將影響最終的成形質量，影響較大的工藝參數主要包括鋪粉層厚、激光功率、掃描速度等。

2.1.1  鋪粉層厚

鋪粉層厚對合金組織和性能的影響主要表現在金屬粉末對激光能量的吸收、形成穩定熔池和連續均勻的熔道三個方面。李劍 [22] 研究了鋪粉層厚為0.04、0.05 和 0.06 mm 時選區激光熔化成形 GH4169合金的相對密度，發現鋪粉層厚由 0.04 mm 增加到 0.06 mm 時，相對密度呈逐漸降低趨勢，在鋪粉層厚為 0.06 mm 時取得最低值（97.52%），這是由于粉末熔化程度較低，孔隙數量較多，難以獲得質量良好的成形件。Sufiiarov 等 [32] 研究了粉末層厚度與選區激光熔化成形 GH4169 合金力學性能之間的關系，發現層厚較高時，強度較低，塑性較好；層厚較低時，強度較高，塑性較差。杜膠義 [33] 研究了不同鋪粉厚度下成形件的相對密度，發現相對密度隨鋪粉厚度的增大呈現先增大后減小的趨勢，最佳工藝下得到的最大相對密度為 98.45%。

當激光掃過合適層厚的粉末層時，粉末吸收足夠的激光能量，發生良好的冶金反應并形成穩定熔池和連續均勻的熔道，熔池快速冷卻凝固，形成致密層。粉末層過薄時，粉末之間因分布不均勻而使表面不平整，從而影響后續的熔化過程；過薄的粉末層吸收過多激光能量時會出現過飽和現象，會使熔池周圍的粉末被部分熔化，從而產生冶金缺陷，過飽和的能量還會影響周圍已凝固區域，造成二次重熔。粉末層過厚時，金屬粉末可能會出現下層粉末能量吸收不足而導致層上、下表面熔化不一致的現象，激光能量無法完全熔化當前厚度的金屬粉末，使粉末殘留在熔池中產生球化現象 [22,33] ，從而惡化成形件的最終力學性能。

2.1.2  激光功率

激光功率對成形件質量的影響十分明顯，對成形件相對密度、表面粗糙度、顯微組織和性能等都有著直接的影響。Balbaa 等 [25] 研究了激光功率對GH4169 相對密度和表面粗糙度的影響，發現隨著激光功率的增大，相對密度整體上呈現先增大后減少的趨勢，同時，適當增加激光功率可降低成形件的平均粗糙度。賈炅昱等 [34] 研究了選區激光熔化工藝參數（激光功率、掃描速度）對成形試樣相對密度的影響，發現在掃描速度≤900 mm?s ^?1 時，試樣相對密度隨激光功率的增大呈現先增大后減小的趨勢；在掃描速度＞900 mm?s ^?1 時，相對密度隨著激光功率的增大而逐漸增大。Yang 等 [35] 研究了激光功率對成形件微觀組織和性能的影響，發現隨著激光功率從 500 W 增加到 2000 W，柱狀晶粒尺寸呈現先減小后增大的趨勢，延伸率在 1500 W 時達到最高值 33.45%。

合適的激光功率能夠形成穩定的熔池，可以打印出缺陷少、組織細小、表面質量較好的成形件。

功率過高時，單位體積上粉末吸收的激光能量偏高，部分金屬氣化，容易形成氣孔；同時高功率會導致熔池產生波動，導致粉末和液滴的飛濺，增加了球化、孔洞等缺陷，表面粗糙度上升。激光功率過低時，不足以熔化金屬粉末，產生匙形孔洞等缺陷，進而影響成形件的力學性能。

2.1.3  掃描速度

掃描速度對合金的影響主要體現在激光與粉末之間的能量交互是否可以形成穩定熔池，是否能夠吸收足夠的能量并發生良好的冶金反應等方面。掃描速度在一定程度上還會影響周圍粉末的波動，影響缺陷形成。李劍 [22] 研究了掃描速度對 GH4169相對密度和顯微硬度的影響，發現較小掃描速度下產生的飛濺、過燒等缺陷以及較大掃描速度下產生的斷道、孔隙等問題都會對相對密度和顯微硬度產生不利影響。魏建鋒等 [36] 研究了掃描速度對成形件相對密度、顯微硬度和耐磨損性能的影響，發現過大或過小的掃描速度會產生孔洞等缺陷，導致相對密度下降，顯微硬度和耐磨損性能變差。Choi等 [37] 研究了掃描速度對選區激光熔化成形 GH4169合金零件相對密度的影響，發現在較低和較高的掃描速度下都產生大量孔洞，孔隙率隨掃描速度的增加呈現先減小后增大的趨勢，掃描速度為 800 mm?s ^?1時，孔隙率最低，為 0.3%。

過高的掃描速度導致激光作用時間較短，作用在金屬粉末上的能量密度小，熔池穿透不足，金屬粉末難以完全熔化。同時，過高的掃描速度會導致粉末飛濺，產生孔洞、球化等缺陷。較低的掃描速度會導致激光停留時間過長，熔池吸附周圍粉末，產生球化現象，同時，較低的掃描速度可能使熔池不穩定，發生飛濺的問題，從而產生缺陷，對后續成形件的質量和性能產生不利影響 [22,36] 。

2.1.4  能量密度

工藝參數中研究最多的是激光功率和掃描速度，為了方便研究激光功率和掃描速度對選區激光熔化成形 GH4169 合金的綜合影響，有學者 [22?24,38?42] 將激光功率和掃描速度的比值（P/v）定義為線能量密度（E），即 E=P/v，其中 E 為線能量密度，P為激光功率，v 為掃描速度。Jia 和 Gu [39] 研究了線能量密度對選區激光熔化成形 GH4169 性能的影響，發現隨著線能量密度逐漸增大，成形件相對密度、顯微硬度和耐磨性能明顯提升。閆岸如等 [40] 研究了激光線能量密度對選區激光熔化成形 GH4169的影響，結果表明相對密度隨線能量密度的增大呈現先增大后減小的趨勢，在激光線能量密度為300 J?m ?1 時，試樣的相對密度最高，為 98.9%。Yi等 [41] 研究了激光線能量密度對選區激光熔化成形GH4169 合金力學性能的影響，結果發現屈服強度和抗拉強度隨激光線能量密度的增大呈現先增大后減小的趨勢，在 0.2 J?m ?1 時可獲得最好的力學性能，屈服強度為 775 MPa，極限抗拉強度為 1055 MPa，延伸率為 29.5%。

合適的能量密度能夠使粉末吸收飽和的激光能量，發生良好的冶金反應，生成穩定的熔池，且不對周圍粉末及凝固層造成過大影響，最后形成致密且性能優異的成形件。較低的能量密度會導致粉末吸收激光能量不足，激光不能很好的熔化粉末，產生球化現象，低能量密度下形成的熔池穩定性差，熔池粘度太高會把周圍粉末吸入熔池，影響成形質量，低能量密度下會形成不連續、不均勻的熔道，產生連續性的孔洞，形成缺陷。過高的能量密度會導致激光能量穿透性太強，影響之前的凝固層，同時，過高的能量密度導致熔池極其不穩定，造成液滴飛濺，產生缺陷，高能量密度還會嚴重蒸發金屬粉末，使熔池不斷擴散，影響周圍凝固體，造成二次重熔，影響成形件的最終的性能。

2.2  熱處理

國內外關于選區激光熔化成形 GH4169 合金熱處理的研究很多，選區激光熔化成形 GH4169 合金常用的熱處理方式有固溶、時效和均勻化處理等。Trosch 等 [10] 通過對比固溶、時效熱處理制度下鍛造成形、鑄造成形和選區激光熔化成形 GH4169 合金室溫和高溫（450 ℃、600 ℃）的力學性能，發現室溫時選區激光熔化成形的 GH4169 合金抗拉強度優于鑄造、鍛造件，在 450 ℃ 和 600 ℃ 下選區激光熔化成形 GH4169 合金抗拉強度和屈服強度與鍛造水平相當，遠高于鑄造水平。Aydin?z 等 [43] 研究了室溫下 6 種熱處理方式對選區激光熔化成形GH4169 合金力學性能的影響，結果發現，通過固溶退火+時效處理后合金抗拉強度、屈服強度和硬度等力學性能最好，但塑性較差。Pr?bstle 等 [44] 研究了不同溫度下固溶熱處理（930 ℃ 和 1000 ℃）對選區激光熔化成形 GH4169合金高溫蠕變行為的影響，結果發現，1000 ℃ 固溶熱處理后合金的蠕變性能最好。Feng 等 [45] 研究了選區激光熔化成形GH4169 合金在 1050 ℃ 固溶+雙時效后的組織和顯微硬度的變化，結果表明經過熱處理后，典型的柱狀晶和枝晶消失，顯微硬度在一定程度上有所提升。

Cao 等 [46] 研究了均勻化溫度對選區激光熔化成形的 GH4169 合金高溫（650 ℃）力學性能的影響，試樣在 650 ℃ 下應力應變曲線如圖 3 所示，熱處理后的抗拉強度和屈服強度超過鍛件水平；當均勻化溫度為 1080 ℃ 時，抗拉強度、屈服強度和延伸率分別為 1126 MPa、965 MPa、21%。

作為最常用的后處理方法，熱處理通過減少成形過程中產生的殘余應力改善缺陷，調控合金的析出相及組織來進一步提升材料的性能和質量。結合傳統熱處理工藝，研究不同熱處理制度對選區激光熔化成形 GH4169 合金組織和性能的影響，對于完善激光選區熔化技術的熱處理制度有重大意義。

2.3  顆粒增強

顆粒增強選區激光熔化技術成形金屬基復合材料（metal matrix composites，MMCs）是目前材料發展的一大趨勢，借助選區激光熔化成形過程中可原位自生形成增強相的優勢，對顆粒增強選區激光熔化成形 GH4169 金屬基復合材料的研究日益受到關注 [47] ，陶瓷、金屬粉末以及其他被用做孕育劑的顆粒均被用于形成金屬基復合材料來改善組織，提升性能。

2.3.1  陶瓷顆粒

陶瓷顆粒因耐磨和耐高溫被廣泛應用于增材制造中，陶瓷增強材料主要包括氮化物、氧化物、碳化物和硼化物，例如 TiN [11] 、WC [48?49] 及 TiC [23,50?51] 。Nguyen 等 [48] 采用選區激光熔化成功制備了 GH4169合金與碳化鎢（WC）復合材料，在純 GH4169 合金的情況下，晶粒沿熱流方向呈細長狀，WC 顆粒的添加阻礙了復合材料中晶粒的長大，形成了細小的組織，當 WC 質量分數達到 15% 時，材料的顯微硬度和抗拉強度有明顯提高，但延展性有所下降。

Wang 等 [51] 利用選區激光熔化制備添加質量分數0%、0.25%、0.50% 和1.00% 納米TiC 顆粒的Inconel718 復合材料。圖 4 為添加不同質量分數 TiC 顆粒增強的 Inconel 718 復合材料應力應變曲線，其抗拉強度分別為 1100、1281、1307 和 1260 MPa。結果說明 TiC 顆粒增強有助于提升材料的力學性能，但含量過高時可能發生團聚現象，導致力學性能下降。

2.3.2  其他顆粒

除了上述陶瓷顆粒增強外，國內外學者也通過向 GH4169 合金中摻雜石墨烯[52?53] 、CoAl2 O 4[54] 、Cu [55] 等顆粒來改善合金組織和性能。Wang 等 [52] 通過選區激光熔化制備質量分數分別 為 0%、 0.25%、 1.00% 的 石 墨 烯 納 米 片 增 強GH4169 合金復合材料，復合材料極限抗拉強度分別為 997.8、1296.3 和 1511.6 MPa，摻雜石墨烯納米片引起的屈服強度的增加也很明顯，三種添加值分別對應屈服強度 800、1180 和 1451 MPa。Xiao等 [53] 通過選區激光熔化成形石墨烯/GH4169 復合材料，并測定了石墨烯增強 GH4169 鎳基復合材料的力學性能，結果表明石墨烯的加入可顯著增強GH4169 合金的強度，添加質量分數 1% 石墨烯的GH4169 復合材料屈服強度和極限拉伸強度比純 GH4169 分別提高 42% 和 53%。Ho 等 [54] 將 GH4169粉末與 CoAl 2 O 4 顆粒（質量分數 0.2%）進行混合，在室溫和 650 ℃ 下，選區激光熔化成形 GH4169 合金的拉伸屈服強度分別提高了 63 MPa 和 66 MPa，蠕變應變速率從 8.8×10 ^?9 s ^?1 降低到 4.9×10 ^?9 s ^?1 ，蠕變斷裂壽命從 177 h 增加到 229 h。Hassanin 等 [55]研究了銅粉添加量對選區激光熔化成形 GH4169 的影響，結果如圖 5 所示。由圖可知，隨著 Cu 質量分數的增加，樣品的導熱性能提升，在低能量密度值下，含 Cu 混合物的平均導熱性要比純 GH4169的平均導熱性大，在較高的能量密度下，隨著 Cu質量分數的增加，實現了導熱性的明顯提升。

不同類型的增強顆粒與 GH4169 摻雜可能對組織和性能產生不同的影響。不同增強顆粒的摻雜方法也可能不同，如球磨法、懸浮液混合法等。除了添加顆粒直接產生增強相外，也可以采用原位自生的方法形成顆粒增強復合材料，這樣增強顆粒分布更加均勻，基體組織更加細小，可進一步改善力學性能。

3、結論與展望

選區激光熔化成形 GH4169 合金工藝已比較成熟，但依然存在球化、孔洞等缺陷，以及殘余應力等問題，工藝調控、熱處理以及顆粒增強等作為最常見的調控方法能在一定程度上改善選區激光熔化成形 GH4169 合金打印件的組織結構，提高硬度、抗拉強度等力學性能。與鍛造、鑄造等傳統工藝等比較，選區激光熔化成形 GH4169 具有近凈成形、可高度個性化定制、成形件精度較高、組織細小等特點，力學性能在一定程度上可達到甚至超過鍛造、鑄造等傳統工藝，將傳統工藝與選區激光熔化成形GH4169 相互結合，相互補充，是未來成形GH4169的重要方向之一。TiN、TiC 和 WC 等陶瓷材料以及石墨烯、CoAl 2 O 4 、Cu 等顆粒已被用于顆粒強化選區激光熔化成形 GH4169 合金，改善組織結構，提升硬度、拉伸和蠕變等力學性能，通過顆粒增強與選區激光熔化成形結合來進一步改善 GH4169 的組織和性能，是當前 GH4169 制備領域的發展趨勢。

目前，需要進一步研究現存問題的形成原因及解決方法，通過研究激光與粉末、激光與熔池以及激光與凝固層之間復雜的能量交互作用，更好地進行工藝調控。選區激光熔化成形 GH4169 合金缺乏材料–工藝–方法–組織–性能系統化的研究及數據庫的建立，數據庫的建立與共享以及標準的完善是最迫切的目標之一。除了直接摻雜顆粒外，可以采用原位自生的方法制備顆粒增強復合材料，增強顆粒分布更加均勻，基體組織更加細小，從而改善力學性能。

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