近日，伍舜老师团队在《Acta Materialia》期刊上发表了一篇题为“A microstructure-based creep model for additively manufactured nickel-based superalloys”的研究论文。该研究提出了一种针对增材制造（AM）镍基高温合金的微观结构蠕变模型，填补了现有蠕变模型在解释AM合金快速空洞化导致蠕变速率加速方面的空白。

蠕变失效：AM镍基高温合金的关键挑战

镍基高温合金因其出色的高温抗氧化性和机械性能，被广泛应用于航空航天领域，如涡轮盘、火箭发动机和核反应堆等部件。传统上，这些部件主要通过铸造和锻造工艺生产。然而，近年来，增材制造技术因其设计自由度高和尺寸精度高的优势，逐渐成为制造镍基高温合金的重要手段。然而，蠕变失效是AM镍基高温合金部件的常见失效模式。研究表明，AM工艺引入的微观结构特征，如孔隙、柱状晶粒结构和成分不均匀性，会导致蠕变速率显著增加，蠕变寿命缩短。

新模型：考虑AM微观结构特征的蠕变模型

为了解决现有模型在AM合金中的局限性，研究团队开发了一种基于微观结构的蠕变模型。该模型特别考虑了空洞化动力学与蠕变变形行为之间的相关性，重点关注AM工艺引入的孔隙、柱状晶粒结构和成分不均匀性等微观结构特征对蠕变性能的影响。通过在模型中引入空洞化动力学，研究团队成功模拟了AM合金在不同微观结构下的蠕变过程，并揭示了微观结构特征对蠕变性能的定量影响。

模型框架与关键发现

该蠕变模型将蠕变过程分为三个阶段：初始阶段、稳态阶段和加速阶段。研究表明，AM合金由于其初始微观结构特征（如孔隙和微偏析），在蠕变早期就会出现显著的空洞化加速蠕变现象，这与传统合金主要在加速阶段才出现空洞化加速蠕变的行为截然不同。

模型通过模拟空洞的形核、生长和合并过程，定量描述了空洞化对蠕变性能的影响。研究结果表明，AM合金的蠕变寿命显著缩短，蠕变速率显著增加，这主要归因于快速空洞化导致的有效应力增加。

实验验证与模型应用

研究团队通过选择性激光熔化（SLM）技术制造了IN718和IN738LC两种镍基高温合金，并对其进行了详细的微观结构分析和蠕变测试。实验结果表明，经过不同热处理的AM合金在蠕变性能上存在显著差异。例如，经过优化热处理的IN718合金表现出更高的蠕变抗力和更长的蠕变寿命。

此外，模型还揭示了AM合金的蠕变各向异性现象，即水平构建方向的蠕变性能劣于垂直构建方向，这主要归因于柱状晶粒结构对空洞分布的影响。

研究意义与展望

该研究提出的微观结构蠕变模型为AM镍基高温合金的设计和优化提供了重要的理论支持。通过定量分析微观结构特征对蠕变性能的影响，该模型能够为AM合金的后处理工艺提供指导，从而提高其高温力学性能。此外，该模型还为减少耗时的蠕变测试提供了可能，通过模型校准后即可快速预测不同微观结构下的蠕变性能。

未来，研究团队将进一步优化模型，考虑更多微观结构特征（如相变和晶粒长大）对蠕变性能的影响，并探索其在其他高温合金中的应用潜力。这一研究不仅为AM镍基高温合金的工程应用提供了重要的理论基础，也为增材制造技术在高性能材料领域的推广提供了新的思路。