西安交大黄科教授课题组：增材制造修复Inconel718高温合金高强塑性热处理调控新制度

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文章标签高温合金

第一作者：周游
通讯作者：黄科
通讯单位：西安交通大学
来源：材料科学和技术 [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)] [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]
DOI: 10.1016/j.jmst.2024.03.008

本文开展了激光定向能量沉积修复Inconel718高温合金跨区域微观组织及力学性能的调控研究。首次提出一种低温短时长均匀化接续时效的新型热处理制度用来强化修复合金，溶解修复区内Laves共晶相的同时实现γ"强化相的全域均匀析出。对比传统直接时效处理的修复合金，新制度处理后样品在保持高屈服强度不变的前提下延展率提升了近1倍，为析出强化型合金修复件的后处理制度设计提供了理论指导和数据支撑。

研究背景
由于服役环境恶劣，在航空、能源等领域广泛应用的高附加值Inconel718高温合金构件常发生失效，实现损伤构件的高质量修复对促进行业开展降本增效意义重大。为规避锻造基底过热，行业目前一般对Inconel718高温合金修复件进行直接时效处理。然而，这导致修复区内残留的硬脆Laves相严重劣化修复件的塑性、韧性和抗疲劳性。对此，本团队研究发现通过激光定向能量沉积成形的修复区域具有非平衡快速凝固组织特征，修复区域枝晶间的Laves相尺寸和含量远小于铸造、焊接成形Inconel718高温合金。因此，理论上存在既可实现修复区Laves相溶解同时又规避锻造基底晶粒严重粗化的热处理工艺窗口。对此，本工作提出了一种低温短时长均匀化接续时效的新型热处理制度，研究新制度下修复合金的跨区域微观组织与力学性能的演变机理，推动增材制造在高端装备零部件修复领域的工程化应用。

本文亮点
西安交通大学卢秉恒院士团队黄科教授等人提出一种低温短时长均匀化接续时效的新型热处理制度用以调控增材修复Inconel718高温合金的组织性能。研究发现低温短时长均匀化处理可在有效溶解修复区内残留链状Laves相的同时规避锻造基底等轴细晶的严重粗化，接续的时效处理则进一步实现了γ"相的全域析出。得益于硬脆共晶相的溶解与强化相的弥散析出，新制度处理后修复合金实现了相结构的跨区域均匀分布并改善了修复区、基底和热影响区间的应变协调能力。新制度处理后增材修复合金的优异强塑性将显著提高构件在极端载荷条件下的服役安全并延长构件的剩余寿命。相关研究成果以“Enhanced strength and ductility of laser directed energy deposition repaired IN718 superalloy via a novel tailored heat treatment”为题，发表在“Journal of Materials Science & Technology”上。

图文解析

图1 (a) 低温短时长均匀化接续时效新型热处理制度示意图，(b) 不同均匀化时长接续处理后修复区与基底的显微硬度演变。

图2 不同时长均匀化处理后修复合金的微观组织演变：(a1-a6) 修复区Laves相形貌，(b1-b6)锻造基底晶粒度。

图3 不同时长均匀化处理后修复区内Laves相尺寸、分数演变与基底晶粒度演变统计。

图4 修复合金界面跨区域微观组织EBSD-IPF/KAM图：(a1, a2) 沉积态修复合金，(b1, b2)直接时效处理修复合金，(c1, c2) 新制度热处理修复合金；(d) 修复合金沉积区与基底极图；(e) 修复合金特征区域晶粒度统计；(f) 修复合金特征区域KAM值。

图5 修复合金修复区/热影响区/基底跨区域微观组织FE-SEM图：(a1- a4) 沉积态修复合金，(b1-b4)直接时效处理修复合金，(c1-c4) 新制度热处理修复合金。

图6 无处理/直接时效处理/新制度热处理样品室温工程应力-应变曲线：(a) 锻造基底，(b) 修复区，(c) 修复合金；(d) 实际断裂样品。

图7 室温拉伸样品断口组织：(a1-a3) 沉积态修复合金，(b1-b3)直接时效处理修复合金，(c1-c3) 断裂于修复区的新制度热处理修复合金，(d1-d3)断裂于界面正下方等轴晶区的新制度热处理修复合金。

图8 室温拉伸样品断面组织：(a1-a3) 沉积态修复合金，(b1-b3)直接时效处理修复合金，(c1-c3) 断裂于修复区的新制度热处理修复合金，(d1-d3)断裂于界面正下方等轴晶区的新制度热处理修复合金。

图9 新制度热处理修复Inconel718高温合金失效样品界面跨区域微观组织演变：(a) IPF图，(b) KAM图，(c) 界面上方柱状晶FIB切取位置，(d) 界面下方等轴晶FIB切取位置，(e-f) 柱状晶内位错组态，(g-h) 等轴晶内位错组态。

图10 修复Inconel718高温合金室温拉伸变形期间的应变场演变：(a) 沉积态修复合金，(b) 直接时效处理修复合金，(c) 新制度热处理修复合金；(d) 各样品沉积区、热影响区和基底的应变占比分布。

图11 修复Inconel718高温合金强塑性演变机制示意图：(a) 直接时效处理修复合金，(b) 新制度热处理修复合金。

总结与展望
为解决直接时效处理增材/焊接修复服役态Inconel 718高温合金强度有余但塑性欠佳的行业难题，本文首次提出了一种低温短时长均匀化接续时效的新型热处理制度，系统研究了新型与传统热处理后激光定向能量沉积修复Inconel718高温合金的组织与性能。结合OM/FE-SEM/EBSD/TEM等表征技术，对比分析了修复区/热影响区/基底跨区域不均匀晶粒结构与相结构的演变机理。结果表明，新制度处理后修复区内Laves相的溶解极大规避了合金提前失效的风险，同时跨区域弥散、均匀分布的γ"相既充分保障了析出强化效应又改善了跨区域的应变协调能力。对比直接时效处理的修复合金，新制度处理后的修复合金在强度不变的前提下延展率提升了仅1倍，综合性能也超过了锻造合金标准。未来团队拟对增材修复Inconel718高温合金的疲劳、冲击等关键服役性能开展深度测试评估，推广相关增材制造技术与后热处理制度在高附加值损伤件修复中的实际应用。

作者介绍
黄科，西安交通大学教授/博士生导师，国家级青年人才。长期致力于金属增材制造、激光冲击强化等工艺研究与装备开发。主持基础加强重点课题、两机专项专题、173领域基金、国家自然科学基金面上等项目20余项。在Prog Mater Sci、Acta Mater、Int J Mach Tools Manuf、Addit Manuf、Int J Plasticity和J Mater Sci Technol等学术期刊上发表论文100余篇，入选爱思维尔2023中国高被引学者，授权国家发明专利30余项。

课题组网站链接：http://gr.xjtu.edu.cn/web/ke.huang
招聘信息：课题组长期招收金属增材制造相关方向（拓扑优化、在线监测、数值模拟、数字孪生、材料设计等）博士后1-2名。

引用本文

You Zhou, Xuewei Fang, Naiyuan Xi, Xiaoxin Jin, Kexin Tang, Zhiyan Zhang, Qi Zhang, Yang Yang, Ke Huang, Enhanced strength and ductility of laser-directed energy deposition repaired IN718 superalloy via a novel tailored heat treatment, J. Mater. Sci. Technol. 199 (2024) 86-101.