Inconel 939（IN939）镍基高温合金凭借其高体积分数的γ‘强化相以及较高的铬、钴含量，在约850°C的服役温度下展现出优异的抗氧化和耐腐蚀性能，是航空发动机及工业燃气轮机热端部件（如涡轮导向叶片和动叶片）的理想候选材料。
然而，该合金在增材制造过程中面临显著的可打印性挑战。这是由于，其凝固温度范围宽、沉淀强化倾向强，在激光快速熔凝过程中极易产生凝固裂纹和液化裂纹，这一问题长期制约着Inconel 939合金通过3D打印-增材制造实现可靠的工程化应用。
一篇发表于期刊Materials Science in Additive Manufacturing的综述文章，系统梳理了当前IN939合金的三种主流增材制造工艺——激光粉末床熔融、定向能量沉积和电子束熔炼，并从微观结构演化、缺陷形成机制、力学性能响应及后处理调控等维度，对近年来的研究成果进行了全面评估。
论文链接：
https://doi.org/10.36922/MSAM026080014
工艺路线差异与裂纹控制策略
在LPBF工艺中，极高的冷却速率（约10⁵–10⁷ K/s）和陡峭的温度梯度虽然有利于实现精细的几何控制和细晶强化，但也显著增加了凝固裂纹和液化裂纹的敏感性。综述指出了几种有效的裂纹抑制策略：将基板预热至约400°C可延长凝固时间窗口，促进结晶充分进行，同时有利于碳化物和γ‘相的析出，从而改善合金强度；严格调控体积能量密度则直接影响熔池形态和热应力分布。值得注意的是，研究明确指出，在1.5–3.0 wt%范围内可控添加硅元素，可通过改变熔池表面张力系数和Marangoni对流模式，有效抑制凝固开裂，甚至实现无裂纹合金的制备。
EBM工艺在真空环境中以较高温度运行，热梯度较低、残余应力较小，但需注意高真空条件下合金元素的蒸发可能导致成分偏移。DED则具备更高的沉积速率，适用于大型部件制造和修复，但成形晶粒较粗大，在薄壁结构件制造方面分辨率不及LPBF。
“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析
”
热处理对微观结构与力学性能的调控
IN939的力学性能对构建方向和热处理制度高度敏感。由于打印态微观结构中存在沿构建方向生长的柱状晶，Z方向的强度通常低于XY平面。通过优化工艺参数和热处理路径，抗拉强度可在约1050–1450 MPa范围内调控。广泛采用的固溶处理（1160–1190°C/4h）结合双步时效处理，被证明能有效溶解打印过程中形成的有害η相，并精确调控γ‘相的析出尺寸与分布。热等静压处理则可有效闭合气孔和未熔合等内部缺陷，进一步提升材料致密度。研究还揭示了γ’相尺寸与力学性能之间的权衡关系：细小弥散的γ‘析出物（25–30 nm）有助于提高屈服强度，但可能对蠕变性能产生不利影响；而较粗大的析出物（200–300 nm）则呈现相反趋势。此外，热处理过程中的冷却方式（水淬、空冷、炉冷）对γ’相的最终尺寸分布也具有显著影响。
疲劳、蠕变及未来展望
在疲劳和蠕变性能方面，LPBF成形的IN939得益于其细小的微观结构和高强度，在室温低周疲劳条件下常优于传统铸件。然而，在高温服役环境下，工艺缺陷（如气孔、未熔合）仍是限制其疲劳和蠕变寿命的关键因素。研究者还通过机理建模手段，结合热传质、流体流动和Marangoni对流等物理模型，对熔池动力学、凝固行为和缺陷演化进行了系统模拟，为工艺优化提供了理论支撑。
该综述指出，尽管挑战依然存在，但通过合金成分的精准调控、工艺参数的协同优化以及合理的热处理制度设计，IN939实现可靠、无缺陷增材制造的路径已愈加清晰。未来研究应进一步结合机理建模与实验验证，重点关注高温疲劳、蠕变及腐蚀退化行为的预测与调控。
l 谷专栏 l
欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷
