激光选区熔化高熵合金的工艺参数优化及裂纹仿真研究现状及发展趋势

黄院星; 郑任; 张训强

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2502548

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (6) :2241-2258 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2502548

机械、仪表工业

激光选区熔化高熵合金的工艺参数优化及裂纹仿真研究现状及发展趋势

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Process Parameter Optimization and Crack Simulation of High-entropy Alloys by Selective Laser Melting:Research Status and Development Trends

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摘要

激光选区熔化(selective laser melting, SLM)凭借着高精度、高自由化的优势成为金属增材制造发展的核心方向,在航空航天、医疗器械等领域有着重要的作用。首先,从高熵合金性能调控的相结构稳定性、热物理性能、力学性能提升等方面对中外在高熵合金在SLM中的相关研究成果进行了概述;其次,阐述了中外在SLM高熵合金工艺参数对缺陷、致密度及力学性能影响方面的研究现状;再次,详细归纳论述了裂纹仿真在SLM高熵合金中的作用机制及研究进展;最后,总结展望了高熵合金梯度化设计、工艺参数动态反馈闭环及多物理场耦合仿真的未来研究重点。

Abstract

SLM(selective laser melting) is regarded as the core development direction of metal additive manufacturing by virtue of its advantages of high precision and high degree of freedom, playing an important role in fields such as aerospace and medical devices. First, the relevant research achievements at home and abroad on high-entropy alloys in SLM were summarized from the aspects of phase structure stability, thermophysical properties, and improvement of mechanical properties for performance regulation of high-entropy alloys. Secondly, the research status at home and abroad on the influence of process parameters of SLM high-entropy alloys on defects, density, and mechanical properties was expounded, elaborately summarized and discussed. Finally, the future research focuses on gradient design of high-entropy alloys, dynamic feedback closed-loop of process parameters, and multi-physical field coupling simulation were summarized and prospected.

Graphical abstract

关键词

激光选区熔化 / 高熵合金 / 工艺优化 / 性能提升 / 裂纹仿真

Key words

selective laser melting / high-entropy alloys / process optimization / performance enhancement / crack simulation

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黄院星, 郑任, 张训强. 激光选区熔化高熵合金的工艺参数优化及裂纹仿真研究现状及发展趋势[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(6): 2241-2258 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502548

HUANG Yuan-xing, ZHENG Ren, ZHANG Xun-qiang. Process Parameter Optimization and Crack Simulation of High-entropy Alloys by Selective Laser Melting:Research Status and Development Trends[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(6): 2241-2258 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502548

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高熵合金是由5种或更多主元素组成(原子分数5%~35%),通过高混合熵稳定简单固溶体结构,具有高强度、耐高温、耐腐蚀等优异性能,在激光选区熔化中具有显著优势。与传统合金相比,激光选区熔化(selective laser melting, SLM)技术通过快速凝固、高能量密度和精确控制,可以充分发挥高熵合金的多主元协同效应,产品往往具有更高的致密度和更少的缺陷^[1-2]。但是,高熵合金的成分配比、工艺参数-缺陷关联性以及裂纹产生的关键问题仍然需要系统性突破^[3]。

近年来,航空航天、能源装备等领域对极端环境材料的战略需求持续攀升,鉴于高熵合金在超高温、强腐蚀等复杂工况下展现的独特优势,基于SLM的高熵合金精密制造技术备受关注^[4]。探讨高熵合金与SLM技术的协同优化机制,对其进行成分设计、工艺参数调控及缺陷抑制研究,对于进一步挖掘高熵合金的性能潜力、拓展其工程化应用具有重要意义^[5]。现概述高熵合金选择依据与性能提升的研究,并进一步梳理中外在工艺优化及裂纹仿真研究方面取得的重要成果。在此基础上,对高熵合金梯度化设计、工艺参数动态反馈闭环及多物理场耦合仿真的未来研究工作进行展望,为下一阶段的研究方向提供参考。

1 高熵合金SLM技术性能调控的研究现状

在SLM中高熵合金的性能调控涉及相结构稳定性^[6]、热物理性能^[7]和力学性能提升^[8]3个核心维度。中国研究重点在于通过添加元素形成纳米析出相、引入低熔点元素或纳米颗粒,实现对热裂纹的抑制、晶粒细化及热稳定性提升;对比传统工艺与 SLM 技术,探究非平衡组织对热导率和热稳定性的影响,以及残余应力与腐蚀介质作用下的裂纹扩展机理;分析激光熔化沉积过程中的微观组织特征与裂纹扩展路径的关联,明确工艺参数匹配对力学性能的影响。突出特点是注重通过元素调控和工艺优化实现多性能协同提升,强调微观机制与宏观性能的关联。

在SLM的快速凝固条件下,确保高熵合金能够形成稳定的相结构并避免有害相的析出是关键。Campari等^[9]分析了CrNiCoFeMn高熵合金快速凝固导致的微观结构特征及非平衡相的形成,得出了高冷却速率抑制了粗大析出相的形成,导致晶界和晶内分布纳米级σ相和氮化物,显著提高硬度的结论。李涤尘等^[10]的研究聚焦于高性能材料设计与先进制造技术的深度融合,团队分析了裂纹和孔隙的形成原因,在Al₆Mg_0.2Sc_0.1Zr高熵合金中加入质量分数为1.3%的Si元素,研究发现该方法有效抑制了热裂纹的产生,细化了显微组织,合金的抗拉强度达497 MPa,断后延伸率为11%;时效热处理后强度提升至550 MPa,延伸率为8%~17%。其机制在于Si元素与基体形成纳米析出相,通过固溶强化、晶界强化和纳米粒子强化提升性能,同时降低热膨胀差异,减少热应力。添加元素需与基体无热膨胀差异,化学相容性好,避免产生新的缺陷。 Sohrabi等^[11]基于Si的添加对高熵合金(high entropy alloys, HEAs)中面心立方(face-centered cubic, FCC)、体心立(body-centered cubic, BCC)及六方密堆积(hexagonal close-packed, HCP)相形成及稳定性的影响,揭示其通过原子尺寸错配、短程有序(short-range order, SRO)和堆垛层错能(stacking fault energy, SFE)调控相结构的机制,得出Si通过降低SFE促进FCC向HCP/BCC相变,形成多相结构Si诱导形成纳米级硅化物和σ的析出强化作用。Zhao等^[12]基于Nb₃₀Mo₁₀Ta₃₀Ti₂₀Ni₁₀的相结构稳定性进行了研究,通过多道多层成形实验,利用扫描电子显微镜观察熔池轮廓,确定熔池宽度与深度的比例为1.42并计算出体能量密度,通过单因素实验调整线能量密度为265 J/mm³时,合金致密度达99.99%,孔隙率 < 0.01%,因此,提出了能量密度相似性原则,确定最佳体能量密度确保熔池稳定。能量密度相似性原则在于粉末需确保熔融时流动性与传热均匀性,合金组元熔点差异需控制在一定范围,通过能量密度调节补偿熔点差异导致的挥发与凝固速率差异。赵懿臻等^[13]专注于解决金属材料尤其是高熔点合金在激光增材制造过程中的关键问题。通过添加低熔点元素解决高熔点合金在SLM过程中的裂纹问题,揭示了补缩作用及细化晶粒的机制。高熔点元素(Nb、Mo、Ta)先凝固形成骨架,低熔点Ti、Ni以液态填充晶界收缩间隙,避免应力集中导致裂纹。Ti、Ni的低熔点特性降低整体凝固温度梯度,使热应力分布更均匀,抑制冷裂纹产生,并且低熔点元素降低熔体黏度,促进快速凝固,细化枝晶间距。但低熔点元素总占比需控制在5%~20%,过量会导致高温软化,并可结合退火处理进一步细化晶粒,提升塑性。Rao等^[14]将Y₂O₃纳米颗粒添加在AlCrFeNiTi高熵合金中,显著提升了晶粒细化效果与热稳定性,如图1所示,其中HEAnC-3在升温过程中没有显著变化,表明Y₂O₃增强了材料的热稳定性,延缓了高温下的相变过程,更适合高温服役环境。

高熵合金热物理性能通常包含熔点与热稳定性、热扩散率、热导率等,会通过形成非平衡态组织、元素偏析、残余应力和晶格畸变等在SLM中有着重大的影响。谷朋飞等^[15]聚焦于难熔高熵合金的激光增材制造技术研究,其核心特点体现为传统工艺与SLM技术的对比研究及非平衡组织调控机制的深度解析。在对传统工艺与SLM技术对比时得出,VNbMoTaW难熔高熵合金在传统工艺下热导率高,高温易软化,但SLM通过高能量密度激光快速熔化与冷却,形成非平衡组织,晶粒显著细化至5~8 μm,且存在大量胞状晶和柱状晶混合结构。晶界数量增加及非平衡相的存在,显著增强了对声子的散射效应,使热传导效率降低约20%。Fu等^[16]指出,未熔合孔隙缺陷常因能量输入低、熔池尺寸小,进而导致与基体金属连接不良。对于难熔高熵合金来说,因其熔点高,在激光能量一定时难以充分熔化,更易出现能量输入不足和粉末未完全熔化的情况,进而产生未熔合缺陷。图2通过直观的图像,揭示了激光增材制造中内部孔隙的多样性及其形成机制,为优化工艺参数、控制缺陷提供了理论依据。为了解决传统位错强化机制(如冷轧)在提高强度的同时牺牲延展性,无法突破强度-塑性权衡的问题,Guo等^[17]发现Ni₃₅Co₃₅Cr₂₅Ti₃Al₂合金中独特的位错自组织结构(segregation-dislocation self-organized structures,SD-SOS),该结构由高密度位错和Ti元素偏析形成,在高温下可以稳定存在。SD-SOS的形成与稳定性依赖于诱导高密度位错与溶质偏析共定位;发射、存储、交互作用等位错动态行为在高温下维持应变硬化能力,避免结构崩塌;Ti元素等溶质偏析促进位错解离和Lomer-Cottrell锁形成,增强结构稳定性。Cai等^[18]分析了SLM过程中高热梯度对凝固行为和裂纹形成的影响,通过添加低熔点元素(Ti、Ni)抑制裂纹,通过相图计算和微观表征,揭示了BCC基体相、B2-TiNi晶界相及纳米析出相的协同强化机制,创当前高熵合金最高强度记录。

高熵合金的硬度、耐磨性等其他力学性能对于SLM产品的表面质量、熔池行为、致密度等都有着直接影响。为了解决传统NbMoTaW高熵合金在SLM中室温脆性高、延展性差的问题,Xu等^[19]通过添加摩尔分数0.005碳,高熵合金室温抗压屈服强度和抗压强度都有了较大提升。这种碳微合金化方法局限性在于碳添加量超过摩尔分数0.01时,易形成连续碳化铌网络,导致合金脆性回升;SLM过程中碳易以 CO/CO₂形式挥发,需严格控制气氛。但该方法可推广至其他含强碳化物形成元素的难熔高熵合金体系,通过调控碳含量和制备工艺实现强度与延展性的协同优化,为高温结构材料设计提供新思路。Zhang等^[20]为了解决高熵合金在传统加工中难以形成复杂结构的问题,讨论了SLM工艺通过快速凝固细化晶粒、增加位错密度和析出相,显著提升高熵合金的强度,但可能降低延展性,且优化工艺参数和热处理可平衡强度与塑性。但快速冷却导致热应力集中,易产生垂直微裂纹,需通过预热基板和优化扫描策略缓解。且高熔点元素易蒸发,需控制激光功率和扫描速度;含易氧化元素需严格氩气保护。张兴寿等^[21]专注于激光增材制造合金材料的残余应力与应力腐蚀行为研究,其核心特点体现为多维度机理解析与工程化解决方案的深度融合;系统研究了激光增材制造合金材料的残余应力产生、测量、消除及应力腐蚀机理,得出了残余应力与腐蚀介质共同作用导致裂纹扩展,氢致开裂与阳极溶解为主要机理的结论。Huang等^[22]系统研究了Al_0.8Co_0.5Cr_1.5CuFeNi高熵合金在高温烧结中的微观结构与力学性能关系,如图3所示。得出了高温烧结促进晶粒粗化与σ相溶解,削弱固溶强化与析出强化使得强度下降以及σ相溶解减少裂纹源,1 100 ℃以上烧结的合金延伸率显著提高塑性得以提升的结论。

综上所述,在SLM中,高熵合金的性能调控需综合相结构稳定性、热物理性能及力学性能三方面。相结构稳定性层面,需通过调控元素配比和工艺参数,在快速凝固过程中抑制有害相析出并形成纳米强化相;热物理性能优化需关注熔池动态行为与缺陷控制,同时利用非平衡组织降低热导率以提升热稳定性;力学性能提升则依赖多尺度强化机制及工艺-热处理协同优化。如表1所示,总结了高熵合金性能调控的三大核心依据。

2 SLM工艺参数对高熵合金的影响研究现状

2.1 SLM工艺参数对高熵合金缺陷形成影响研究现状

对于成型零件来说,孔隙是一种较为普遍的缺陷,其产生与工艺参数有着密切的联系。为了探究能量密度、层厚和扫描间距对CoCrFeNiMn高熵合金孔隙的影响,Zhang等^[23]结合能量密度变化,解释了熔池动态行为对缺陷的影响作用,提出了“能量密度-缺陷”关系模型,得出在低能量密度下熔池小、熔深不足导致未熔合缺陷和孔隙率增加;在高能量密度下引发元素蒸发、凝固收缩和熔池“球化”形成新孔隙的结论。此模型适用于高熵合金,尤其是面心立方结构材料,其高晶格畸变能促进位错运动,对缺陷敏感。但不适用于低熔点合金,因高能量密度下蒸发效应更显著。可结合熔池流体动力学模型等数值模拟预测不同能量密度下的缺陷分布,提升模型普适性;并且针对多组元高熵合金,需考虑元素偏析对能量密度阈值的影响,进一步细化模型参数。Ren等^[24]对优化参数窗口方面进行了大量研究,提出了归一化等效能量密度方法,证明了高冷却速率会促进纳米层状结构的形成,但同时也可能因熔池不稳定导致孔隙缺陷;此外,采用90°层间旋转扫描策略可扰动热流分布,抑制孔隙的定向聚集。Niu等^[25]对孔隙形态进行观察发现在低体积能量密度(volume energy density, VED)下孔隙多为不规则形状,这与未熔合粉末颗粒相关;而高VED下孔隙呈球形且尺寸减小,归因于熔池动态平衡改善;系统研究了体积能量密度对于孔隙的调控作用,得出高VED促进了元素扩散,减少了局部偏析,从而降低了因元素偏析导致的孔隙缺陷结论。其扩展方向在于结合扫描速度、激光功率等多参数协同优化动态调整平衡熔池稳定性与元素扩散;在工艺方面SLM后结合热等静压,进一步消除残余孔隙。Shu等^[26]研究发现了激光功率通过调控稀释率和冷却速率,图4显示了稀释率随激光功率增加显著上升;图5表明了高功率导致冷却速率降低,促进树枝晶粗化,增加凝固收缩应力。因此在高功率条件下,低冷却速率和高稀释率会直接影响CoCrBFeNiSi高熵合金涂层的孔隙缺陷形成。Zhang等^[27]在对FeCoNiCrBSi的研究上探讨了微观结构与孔隙的关联,分析出涂层从底部到顶部呈现平面晶、树枝晶、等轴晶和非晶相的分层结构。底部树枝晶区因冷却速率较低,存在更多孔隙;顶部非晶区因快速凝固更致密。此外,硼化物的析出也会增加局部应力,但非晶相的高含量抵消了这一负面影响,整体降低了孔隙率。刘畅等^[28]聚焦于激光增材制造工艺参数与缺陷调控的系统性研究,其核心特点体现为工艺、结构与性能关联性的精准解析与工程化应用导向。团队基于CAD模型设计零件,使用高能量激光束扫描不锈钢粉末,逐层熔化堆积形成试样,重点研究激光功率和扫描速度这两个核心工艺参数对材料组织结构及缺陷的影响,同时观察不同成型方向的晶体结构特征,研究发现激光功率偏小时,试样表面易出现明显孔洞;功率偏大时,会在孔洞基础上进一步产生球化现象;速度过小时试样表面因熔化不充分产生球化; 速度过大时材料熔化不完全导致密度下降,孔洞增多。因此需选择合适的激光功率和扫描速度,才能有效抑制球化和孔洞缺陷。但此实验的局限在于显微组织观察的区域可能存在随机性,若观察区域未覆盖试样整体,可能导致对缺陷分布的判断存在偏差。

为了探究工艺参数对高熵合金裂纹形成的影响,Guo等^[29]探究了不同扫描策略对FeCoCrNiMn-(N, Si) 裂纹形成的关系,研究发现,当采用45°扫描时,平均晶粒尺寸59.7 μm,大晶粒易导致应力集中,裂纹扩展路径更长;当采用67°扫描时,平均晶粒尺寸54.6 μm,且存在多模态晶粒结构(细晶+粗晶混合),抑制裂纹扩展。但此实验局限在于Si的熔点与Mn相对较低,高能量密度下易挥发,导致成分偏离设计值,进而破坏非平衡凝固过程中的相稳定性。Zhu等^[30]在系统的研究VED对高熵合金V_0.5Nb_0.5ZrTi裂纹缺陷形成的影响时,提出了在高VED时会发生热应力机制以及在低VED时会发生未熔颗粒机制。高能量输入使熔池边缘温度梯度陡峭,热应力集中于熔池底部,最大热应力随VED增加而升高,如图6所示,超过材料强度时引发裂纹。而低能量输入导致Zr颗粒未完全熔化,其与基体的界面因结构和热膨胀差异产生应力集中,如图6所示。黄留飞等^[31]聚焦于激光增材制造技术下高熵合金的微观组织调控与性能优化,其核心特点体现为凝固机制解析与缺陷抑制的系统性研究;

采用激光熔化沉积制备的AlCoCrFeNi_2.5高熵合金中柱状枝晶沿沉积方向外延生长,其生长方向与熔池内最大温度梯度方向一致。且面心立方相沿[200]方向择优取向,形成{001}<100 >织构,而体心立方相均匀分布于枝晶间隙。激光沉积过程中,热流垂直于扫描方向并向基板内部传导,导致凝固从熔池底部向顶部进行。多层沉积时,前一层柱状晶作为基底,促使新层晶粒沿柱状枝晶沿沉积方向定向生长,形成晶界平行于热流方向的柱状结构。沿柱状枝晶沿沉积方向拉伸的样品断口显示,裂纹优先沿枝晶界扩展,尤其在面心立方相与体心立方相的界面处。体心立方相作为硬质相(富Al-Ni),与面心立方相的界面结合力较弱,成为应力集中点,加速裂纹萌生与扩展。为了进一步探究扫描速度对裂纹产生的影响,Luo等^[32]研究发现当扫描速度过快时,AlCrCuFeNi_3.0冷却速率增加,成分偏离共晶区,出现孤立B2/A2脆性相,裂纹萌生。

在SLM过程中,微观组织缺陷同样是可能出现的一种缺陷类型。Lu等^[33]对SLM工艺参数对Ni_43.5Co₁₉Cr₁₀Fe₁₀Al₁₅Ti₂Mo_0.5共晶高熵合金微观组织缺陷的影响进行了总结,发现快速凝固限制了Al元素在液相中的扩散,形成过饱和面心立方相(face-centered cubic phase,FCC)相,减少了共晶反应所需的液相量,导致B2相减少。SLM中固/液界面移动速度超过Al原子扩散速率,根据Scheil-Gulliver模型,溶质截留使面心立方相固溶度突破平衡极限,液相成分难以到达共晶点,共晶反应被抑制。SLM试样中面心立方相内位错胞壁与B2相交替分布,形成位错环与B2相的复合结构,而铸态试样中B2相呈连续网状,进一步表明SLM中B2相析出受抑制。但此实验对于元素的敏感性很高,Al含量波动±1%可能导致B2相面积分数波动±3%,需严格控制原料配比。Kumar等^[34]在冷却速率与热梯度的影响方面做了大量的研究(图7),发现冷却速率抑制元素扩散, 形成非平衡B2相(有序Ni-Al)和纳米桥接结构,而热梯度促进柱状晶生长,溶质(Ni、Al)在胞界偏析,形成B2相网络。温雪龙等^[35]聚焦于激光增材制造工艺参数与粉末特性对高熵合金组织性能的调控机制研究,其核心特点体现为多尺度缺陷形成机理与跨材料体系工艺优化的系统性研究。针对粉末粒径的影响方面,团队在对FeCoNiCr系高熵合金研究发现在激光功率为350 W、扫描速度为600 mm/s时细粉制备的试件枝晶更粗大其底部枝晶宽度达92.5 μm,而粗粉试件仅为42 μm,因细粉比表面积大,吸收激光能量效率高,熔池温度更高且二次重熔效应更显著。二次重熔导致已凝固组织反复受热,温度梯度增大,枝晶沿热流方向定向生长加剧。然而粗粉制备的试件中,未熔颗粒被后续熔覆层包裹,经切割抛光后脱落形成凹坑,最大深度达70 μm,且凹坑周围常伴随微裂纹。当激光功率不足350 W时,粗粉未熔合率达12%,凹坑缺陷率较细粉高3倍,因为粗粉颗粒尺寸超过激光光斑能量作用范围,局部熔化不充分,未熔颗粒成为夹杂物。后续层扫描时,未熔颗粒被液态金属包裹,但结合界面存在应力集中,冷却后易脱落形成凹坑。Yuan等^[36]在对Al_0.3CoCrFeNiCu高熵合金微观结构特征进行分析,采用了X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)分析相组成扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)、电子背散射衍射(electron backscatter diffraction, EBSD)观察微观组织的表征手段,指出采用SLM工艺会消除传统铸造中的枝晶结构、柱状晶沿构建方向(building direction, BD)生长形成纤维织构、胞状亚结构垂直于熔池边界。李洋等^[37]聚焦于激光增材制造过程的多物理场耦合仿真与微观组织调控研究,其核心特点体现为数值模拟驱动的工艺优化与缺陷抑制技术链构建。团队基于ANSYS有限元软件建立单道单层模型,采用高斯移动热源模型模拟激光作用下的熔池温度场和尺寸,通过“生死单元法”模拟粉末熔化与凝固过程,并与实验结果对比验证。实验发现,等激光能量密度下,不同工艺参数组合对微观组织影响显著:铺粉层厚为0.04 mm时,试样内部因粉末熔化不充分出现细小圆孔,且存在粗大长条状α'马氏体;铺粉层厚为0.03 mm时,无明显缺陷,以粗大α'马氏体为主;铺粉层厚为0.02 mm 时,激光重熔作用细化晶粒,形成细小针状α'马氏体。但此实验主要针对试样上表面进行微观组织观察,对内部深层组织或熔池边界、层间结合处等不同区域的分析不足,难以全面反映整体组织分布特征。

综上所述,SLM工艺参数对高熵合金缺陷的影响主要体现在孔隙、裂纹及微观组织缺陷三方面。为减少缺陷的产生,需要精准调控能量密度、智能扫描策略、优化粉末特性、控制扫描速度、热梯度优化设计等多方面结合调控。如表2所示,总结了上述工艺参数对缺陷形成的影响。中国虽然对于SLM工艺参数的影响研究较晚,但聚焦于工艺参数对缺陷、致密度及力学性能的作用。针对缺陷,探究沉积方向、扫描速度、粉末粒径等与裂纹、凹坑等缺陷形成的机制;在致密度方面,分析工艺参数如何改变微观结构以提升致密度,明确层厚等参数的影响;研究能量密度等参数与致密度、硬度等力学性能的关系,为平衡强度与塑性提供参考。突出特点是强调多参数协同作用对材料质量的影响,注重通过参数优化减少缺陷、提升性能,且结合模拟与实验分析参数影响规律。

2.2 SLM工艺参数对高熵合金致密度影响研究现状

众多学者围绕SLM工艺参数对高熵合金致密度的影响机制展开研究,如Yao等^[38]通过正交实验和多尺度表征,明确了SLM工艺参数对AlCrFeNiV高熵合金致密度的影响规律,并揭示了层次结构对性能的提升机制。正交实验法适用于多参数交互作用场景,通过有限次实验高效筛选关键影响因素,但需注意高熵合金快速凝固下参数敏感性差异。Niu等^[39]在探究SLM工艺参数对CoCrFeMnNi高熵合金致密度影响时,采用了实验设计、微观结构表征和力学性能测试等方法,得出了工艺参数对热裂纹、晶粒取向及力学性能的影响规律,其贡献不仅在于优化了具体工艺参数,更在于揭示了热裂纹形成机制和晶粒取向调控原理。Sun等^[40]建立了工艺参数-能量密度-致密度的定量关系,图8展示的是3种工艺参数对于致密度的影响,并揭示了快速凝固细化组织的机制,使得Al_0.5CoCrFeNi高熵合金达到超高致密度。He等^[41]通过单组优化实验获得最佳致密度,并通过调整激光功率和扫描速度,确保熔池稳定性,抑制了热裂纹的形成。Lin等^[42]通过多参数梯度实验设计,以激光功率、扫描间距、曝光时间为变量,设计正交实验矩阵,制备FeCoCrNi-摩尔分数0.015 Si合金试样,并基于实验数据建立二次多项式回归模型,确定最佳参数组合以最大化致密度,并通过重熔改善了均匀性:首次扫描后熔池边界存在Fe、Si元素偏析,重熔以113 W低功率、97 μm宽间距对表层进行二次熔化,通过热对流促进元素扩散,重熔后Si元素标准偏差从摩尔分数0.002 8降至摩尔分数0.001 3。但二次多项式回归未纳入马兰戈尼效应与熔池波动影响,当扫描速度高的场景预测误差也会增大,导致实际致密度与模型预测值产生偏差,且未考虑粉末床温度场累积效应,多层沉积时基板温度从25 ℃升至100 ℃,熔池凝固时间延长15%,Si元素偏析程度比模型预测高。Niu等^[43]通过实验数据和理论模型,揭示了体积能量密度通过调控熔池稳定性、元素挥发和热应力,对合金致密度产生显著影响,分析了最佳VED的选择是平衡熔池流动性与热损伤的关键,得出了致密度随VED的增加呈现先上升后下降的趋势的结论(图9)。Luo等^[44]通过调整激光功率、扫描速度、层厚和扫描间距,优化了体能量密度,最终获得了高致密度样品,经实验验证较低的扫描速度增加了能量输入,促进粉末充分熔化和层间结合,减少未熔合孔隙;适中的功率平衡了熔池温度,避免过热导致的元素挥发和气孔。Chen等^[45]通过优化SLM工艺参数,揭示了参数调控对熔池能量输入、元素混合和缺陷形成的影响。图10(a)体现了密度与体积能量密度(VED)的关系,图10(c)和图10(d)体现了显示Mn分布存在明显空白区域,表明元素混合不均匀,未熔合缺陷较多,但是其他元素均匀分布,无明显偏析,验证了高VED对元素混合的促进作用。因此,尽管Mn蒸发导致成分变化,但高VED通过改善熔池流动性和元素均匀性,显著提升了CoCrFeMnNi高熵合金的致密度。

综上所述,众多学者通过正交实验、理论模型、参数优化等研究方法,揭示了对致密度影响较大的热裂纹形成、元素混合、熔池稳定性等关键机制,指导了工艺参数优化,推动材料应用。但是,部分研究依赖单一实验设计,未充分利用机器学习、数值模拟等先进工具,参数优化效率与准确性有待提升。

2.3 SLM工艺参数对高熵合金力学性能影响研究现状

AlCoCrFeNi系高熵合金凭借着高强度、优异的高温力学性能等优异的力学性能在SLM有着非常广泛的应用。魏水淼等^[46]系统研究了不同能量密度下AlCoCrFeNi高熵合金力学性能差异,研究发现在高能量密度下样品致密度最为优异,具体参数如表3所示。学者们对于AlCoCrFeNi_2.1进行了系统的研究,Chen等^[47]侧重于探究高强度与延展性协同效应的研究;He等^[41]、侧重于探讨工艺参数对裂纹敏感性的影响;Guo等^[48]侧重于在优化参数下,合金表现出的综合性能提升。以上研究的结论如表4所示。

SLM技术通过细晶结构、析出相调控和高致密度,赋予CoCrFeMnNiTi系高熵合金优异的综合力学性能。学者们对CoCrFeMnNiTi系高熵合金进行了系统的研究,Guo等^[49]侧重于揭示激光功率与缺陷形成的关系的研究;Savino等^[50]侧重于体现热处理可作为调控SLM高熵合金性能的有效手段;Bulut等^[51]侧重于激光功率、扫描速度和构建方向对合金性能的影响。以上研究结论如表5所示。

综上所述,AlCoCrFeNi系高熵合及CoCrFeMnNiTi系高熵合金通过细晶结构、析出相调控和高致密度,赋予高熵合金优异力学性能。在高温耐磨部件、低裂纹结构件、航空航天精密部件有着广泛的应用前景。但对于热处理对耐腐蚀性的负面影响仍需进一步研究,还需平衡能量密度与缺陷控制。

3 裂纹仿真在SLM高熵合金中的应用研究现状

当前,有限元方法(finite element method, FEM)是裂纹仿真的重要方式。王姝予等^[52]聚焦于多尺度晶体塑性建模与复杂材料裂纹扩展行为的跨学科研究,其核心特点体现为理论建模与实验验证深度融合的缺陷演化机制解析能力;基于晶体塑性有限元法,构建了晶体塑性本构模型、Cohesive单元本构模型和有限元模型,确立了材料参数与边界条件,模拟了裂纹扩展行为(图11)。该方法适用于捕捉材料细观力学行为,但依赖准确的晶体塑性本构参数,如堆垛层错能、位错运动阻力等,并且高熵合金多主元导致的晶格畸变会增加参数校准难度。邱贺方等^[53]聚焦于激光增材制造过程中的热-结构耦合建模与裂纹控制技术研究,其核心特点体现为多物理场仿真驱动的工艺优化与缺陷抑制技术体系构建。团队结合高斯面热源建立了热传导模型,模型通过热-结构间接耦合计算动态应力与残余应力,发现棋盘格扫描的米塞斯等效应力低于长直线扫描,且应力集中区域与实验裂纹位置高度吻合:长直线路径试样裂纹从底部中间向上扩展,棋盘格路径从对角开裂。这表明高斯热源模型能有效反映不同扫描策略下的应力集中机制,进而预测裂纹起始与扩展方向。传统试错法需反复测试不同扫描路径,而模型直接指出棋盘格扫描因 “内缩外拱”的残余应变分布,可降低应力集中,实验结果也证实其裂纹敏感性低于长直线扫描。这避免了大量实际打印试验,缩短工艺筛选周期。Mooraj等^[54]采用有限体积法模拟不同扫描速度下的温度场演变,结果显示:在高扫描速度下冷却速率达10⁴~10⁶ K/s,热循环曲线陡峭,峰值温度后快速降温,抑制面心立方相析出,且晶粒粗大延伸率低,沿晶界出现显著固态裂纹;在低扫描速度下却速率降至10²~10⁴ K/s,热循环曲线平缓,高温停留时间延长,促进面心立方相从体心立方或B2基体中析出,试样无裂纹且延伸率高。但扫描速度优化策略仅适用于存在可调控相变路径的合金,对于单一相或相变温度范围过窄的材料无效,且需满足目标相析出所需的元素扩散动力学条件。Mooraj等^[55]采用了RDG(Rappaz-Drezet-Gremaud)模型,系统分析了CoCrFeNi高熵合金凝固裂纹的形成,该模型考虑了热梯度、凝固收缩和液态金属流动性。模型指出,液态金属黏度直接影响补缩能力。实验中,中等能量密度下液态金属因高黏度难以填充枝晶间空隙,导致凝固后期补缩不足,形成沿高角度晶界扩展的细长裂纹。而高能量密度下的“钥匙”缺或低能量密度下的未熔合缺陷因孔隙释放应力,反而抑制了凝固裂纹。RDG模型适用于凝固区间窄但液态粘度高的合金,也适用于晶粒尺寸较大且取向差高的体。若凝固区间宽,化学偏析主导裂纹形成,RDG模型的适用性下降。Phung等^[56]提出了一种基于体素的重网格化框架,利用有限元模拟执行用户定义的边界条件和本构模型,通过插值计算裂纹前沿点的扩展方向和长度。并且支持多个裂纹的合并与交互,通过更新体素ID实现复杂裂纹路径。该方法适用于跨尺度缺陷分析,但高熵合金凝固时的非平衡相转变会导致多尺度界面耦合精度下降,需通过热力学数据库优化相场模型参数。Rao等^[57]采用了体素网格(voxel-based representation, VBR)精确表示多晶微结构, 并结合了晶体塑性有限元模拟裂纹扩展,为SLM高熵合金的快速凝固过程形成的非均匀晶粒、高孔隙率和晶界析出相的量化分析提供了理论依据。图12(a)体现了裂纹表面的反极图(inverse pole figure, IPF)颜色映射,揭示了裂纹扩展路径与晶界析出相的关系;图12(b)对比了初始裂纹与扩展后裂纹的晶体学分布,验证了模拟中晶界析出相对裂纹扩展的影响,为非均匀晶粒和晶界析出相的量化提供了理论依据。多物理场耦合仿真在激光增材制造的裂纹分析中具有跨工艺的共性方法逻辑。王军华等^[58]综述了顺序热-力耦合有限元方法,先通过仿真获取激光功率、扫描速度调控下的温度场分布,再将温度结果作为载荷输入应力场模型,揭示了不同区域残余应力的分布规律及其与裂纹敏感性的关联。这种温度场与应力场的耦合分析思路,对SLM高熵合金的裂纹仿真具有直接参考价值:在SLM过程中,高熵合金的熔池温度梯度、层间热性能差异同样会通过热应力驱动裂纹萌生,可借鉴其移动热源加载、热场瞬态计算与应力场映射的建模框架,强化对激光参数与热应力-裂纹关联性的量化分析,尤其适用于高熵合金因多主元协同效应导致的热物理性能异质性对裂纹影响的仿真研究。

众多学者对于机器学习新领域在裂纹仿真中的应用也做了深入的研究。Rao等^[59]构建了裂纹预测的深度学习框架,采用了双向长短期记忆网络,通过训练高保真物理模拟数据,快速预测了裂纹扩展参数。图13展示的是通过高保真晶体塑性模拟生成裂纹扩展数据,提取微结构和微观力学特征,构建输入序列用于训练双向长短期记忆网络,获得了预测的最终裂纹表面形态。该方法适用于数据驱动的快速预测,但在极端工艺条件下的缺陷样本不足、实验数据稀缺时, 易出现模型泛化能力不足问题,需结合物理约束增强预测可靠性。机器学习通过分析高吞吐量实验数据和多尺度模拟结果,建立了成分-工艺-性能的映射关系,为预测不同工艺参数下的缺陷分布和裂纹敏感性奠定了基础^[60]。Duan等^[61]提出通过控制平均膨胀(average expansion, A_E)和剪切模量与体积模量比(G/B)来抑制裂纹。在实验中,当A_E>25%时,固态收缩导致的热应力超过材料强度,引发沿晶界扩展的裂纹;而当A_E<25%时,收缩变形减小,热应力积累降低,裂纹发生率显著下降。G/B>0.5的合金在冷却过程中因脆性晶界无法缓解应力集中,导致裂纹萌生;而G/B<0.5的合金因韧性好,能通过位错滑移释放应力,抑制裂纹扩展。但实验前提条件在于需配合高液体黏度和宽液体温度范围,以确保熔融金属流动性,填充收缩空隙,并且依赖JMatPro热力学计算构建的数据库与夏普利加性解释算法分析元素贡献,确保成分设计准确。Wang等^[62]对比了人工神经网络、贝叶斯网络、支持向量机、随机森林4种算法在4种策略下的性能,经过对比得出了支持向量机在裂纹仿真中表现最佳结论。支持向量机采用径向基函数核,能将低维特征映射到高维空间,有效处理SLM过程中工艺参数与裂纹敏感性的复杂非线性关联,并通过最大化分类间隔,降低模型复杂度,避免过拟合,且当输入维度增强特征和物理参数时,支持向量机的预测误差进一步降低。Deshmankar等^[63]结合了实验数据、微观结构和热模拟仿真数据,使用了机器学习及3D卷积神经网络(convolutional neural network, CNN)方法,构建了多尺度模型,并且预测了裂纹从萌生到扩展的全过程。图14对比了传统2D CNN与3D CNN的架构差异,3D CNN 通过三维卷积层和池化层处理三维微观结构图像,能够捕捉晶粒取向、晶界分布等三维特征。Tan等^[64]建立了高精度的机器学习模型,收集98个SLM高熵合金样本,包含相结构和化学成分数据,构建53个材料描述符,通过相关性筛选、递归消除、穷举筛选三步特征选择,最终确定关键描述符。采用随机森林模型对相进行预测,并合成9种高熵合金, XRD结果显示模型预测与实际相结构吻合率达 100%。但训练样本中对含稀土元素与高熔点金属的合金覆盖不足;且模型基于激光功率160~440 W、扫描速度300~1 400 mm/s 等参数训练,超出此范围时预测精度下降;在计算成本方面,53个描述符的穷举筛选需构建8×12组模型组合,训练时间随维度呈指数增长。在分子动力学方法的研究方面,Liu等^[65]运用了分子动力学裂纹仿真方法进行模拟,构建了包含位错胞的二维或三维原子模型,揭示了其对位错运动的阻碍机制,得出了在SLM中CoCrFeMnNi高熵合金晶界强化机制结论。Jiang等^[66]通过分子动力学模拟Al_0.3CoCrFeNi 高熵合金在拉伸载荷下的变形行为,发现位错运动受晶格畸变和化学短程有序显著影响。在CoNiCrFeMn纳米线的分子动力学模拟中,观察到面心立方向六方最密堆积马氏体转变伴随变形孪晶形成。孪晶界作为位错障碍,使位错运动路径发生偏转,进而提升材料的加工硬化能力。并且利用动力学蒙特卡洛方法模拟HfNbTaZr高熵合金的晶界扩散行为,发现高熵效应导致原子扩散系数降低2个数量级,晶界滑移激活能增加40%。这一结果抑制了高温下的晶界开裂,与实验中该合金在800 ℃时的抗蠕变性能提升一致。这揭示了高熵合金位错运动、晶界滑移微观变形机制,并预测了裂纹在复杂微结构中的扩展路径。此方法适用于多主元含量接近等原子比的高熵合金,对成分梯度显著的合金预测精度下降。并且当前模型未有效耦合原子尺度与介观尺度,导致微结构演化对裂纹扩展的影响描述不完整。Nguye等^[67]将分子动力学与长短期记忆网络结合,揭示了AlCoCrCuFeNi高熵合金在高能量输入下的变形机制,并建立了应力预测模型,证实高能量输入通过促进均匀凝固抑制裂纹。实验基于22 021组分子动力学数据训练的长短期记忆网络模型,准确捕捉了温度、应变与应力的非线性关系。模型显示,当能量密度超过180 J/mm³时,应力标准差从0.90 GPa 降至0.45 GPa,表明热输入增加促进了凝固均匀性。此方法适用于面心立方基高熵合金,需满足原子尺寸差小于0.15从而抑制脆性相和混合熵大于1.5R(R为气体常数)的稳定固溶体。

综上所述,当前SLM高熵合金裂纹仿真研究主要依托多尺度模拟技术,形成了以有限元方法为核心、机器学习为新兴方向、分子动力学为微观补充的三维研究体系。其中国内研究以有限元方法为核心,结合工艺参数解析裂纹机制。通过构建晶体塑性有限元模型模拟裂纹扩展,揭示晶体取向与裂纹路径的关联;建立热-结构耦合模型,对比不同扫描策略的应力分布,明确应力集中与裂纹位置的关系;将仿真与实验结合,探究能量密度、扫描速度等参数对裂纹形成的影响,为参数调整提供依据。突出特点是注重仿真模型与工艺参数的结合,通过模拟预测裂纹行为,为工艺优化提供理论支撑,减少试错成本。未来需进一步加强多尺度仿真技术的融合发展以及实验数据与仿真模型的协同优化发展,推动该领域向精准化、智能化方向发展。

4 未来研究展望

根据上述研究现状可知,虽然SLM工艺参数优化和裂纹仿真已经取得了诸多成果,但是仍有很多待改进的地方,今后的研究方向和重点主要包括高熵合金梯度化设计、工艺参数动态反馈闭环及多物理场耦合仿真几个方面。

(1)高熵合金梯度化设计研究。基于元素添加对于相结构及热稳定性的影响,通过成分或微观结构的梯度变化,可在同一部件中实现“外硬内韧”或“耐高温-高强度”的多重性能。并结合高熵效应和SLM逐层制造能力,设计出具有梯度热导率、抗氧化性的部件。此外,梯度设计可降低应力集中,通过梯度冷却或能量输入优化,调控晶粒尺寸和析出相分布,抑制柱状晶生长,改善材料各向异性,减少裂纹产生的风险。但高熵合金多主元互扩散系数差异显著,导致梯度界面易形成Kirkendall空洞或中间相。当前缺乏多组元扩散的实时监控手段,需开发原位透射电镜与原子探针断层扫描结合的表征技术,解析纳米尺度下的扩散路径。并且针对梯度参数与性能的关系现有的研究仅停留在定性描述,缺乏考虑晶体取向、位错密度等微观结构参数的多变量模型。需要建立基于机器学习的反向设计框架,建立多尺度梯度性能预测模型。

(2)工艺参数动态反馈闭环研究。高熵合金因高熔点、高导热性及多组元协同效应,导致熔池温度场呈现瞬态变化与强非平衡性特征,其动态行为受到激光能量密度,扫描策略等参数耦合影响显著,然而现有的传感器对熔池温度梯度、元素偏析等微观演化过程的实时监测精度不足,难以捕捉快速凝固下的非平衡相变与晶格畸变等关键信息;SLM过程中粉末床均匀性波动、舱室气流扰动等环境因素,会引发能量输入的非线性波动,动态反馈系统需构建多尺度数据融合模型,将熔池红外辐射、声发射等多源信号与热力学和动力学模型耦合,实现缺陷萌生的早期预警,但当前机器学习算法对复杂工况下的工艺参数与缺陷映射关系泛化能力有限,尤其在处理高熵合金特有的枝晶生长各向异性、残余应力梯度分布等问题时,易出现预测偏差;此外,动态反馈闭环需实现监测、预测与调控的毫秒级响应,而高熵合金凝固过程中热应力与相变应力的耦合作用机制复杂,参数实时调整可能引发新的应力集中或元素挥发,如何在保证致密度的同时抑制裂纹扩展,构建具有自适应性的参数动态优化算法,仍是制约该技术工程化应用的核心瓶颈。

(3)多物理场耦合仿真研究。SLM 过程中激光能量输入、熔池流动、凝固相变与热应力演化等物理场的强非线性耦合机制极为复杂,高熵合金多主元协同效应下的热传导各向异性、熔池动态行为非平衡性及快速凝固诱发的晶格畸变,使得传统单场仿真模型难以准确描述多物理场交互作用下的缺陷萌生机制;多尺度建模需跨越宏观工艺参数、介观熔池演化与微观相变等不同尺度,而高熵合金特有的高混合熵稳定固溶体结构及其非平衡凝固过程中的相结构演变,加剧了跨尺度仿真时的界面耦合精度与计算效率矛盾;此外,实验中获取的熔池温度场、应力分布等多物理场实测数据有限,难以有效验证多场耦合模型的准确性,尤其在模拟高熵合金中热应力与相变应力的耦合作用、溶质扩散与凝固收缩的交互影响时,模型参数的校准与优化仍存在显著技术瓶颈,制约着“工艺-结构-性能”一体化预测的精准度。

5 结论

(1)高熵合金在SLM性能调控展现出显著优势,但需综合平衡相结构稳定性、热物理性能、力学性能3个方面以实现材料优化。不过对SLM中高熵合金的研究还有很长的路要走,今后的研究方向主要集中于梯度化设计以达到多重更优异性能。

(2)SLM工艺参数对高熵合金缺陷、致密度、力学性能都有着显著且多维的影响,优化工艺参数的相关研究有力地推动了工程化的发展。但对动态反馈控制机制的研究还不够,今后应当加强多物理场耦合建模与实时监测技术的协同创新,构建智能化参数调控体系,以突破传统工艺的局限性,实现高熵合金SLM过程的精准控制与性能稳定性提升。

(3)裂纹仿真正从单一尺度分析向多物理场耦合、数据驱动的智能化仿真方向演进,未来需重点突破“工艺-结构-性能”一体化预测,为SLM高熵合金的工程化应用提供可靠理论支撑。

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