西安交大黃科教授課題組：增材制造修復Inconel718高溫合金高強塑性熱處理調控新制度

第一作者：周游
通訊作者：黃科
通訊單位：西安交通大學
來源： 材料科學和技術 [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)] [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]
DOI: 10.1016/j.jmst.2024.03.008

本文開展了激光定向能量沉積修復Inconel718高溫合金跨區(qū)域微觀組織及力學性能的調控研究。首次提出一種低溫短時長均勻化接續(xù)時效的新型熱處理制度用來強化修復合金，溶解修復區(qū)內Laves共晶相的同時實現(xiàn)γ"強化相的全域均勻析出。對比傳統(tǒng)直接時效處理的修復合金，新制度處理后樣品在保持高屈服強度不變的前提下延展率提升了近1倍，為析出強化型合金修復件的后處理制度設計提供了理論指導和數(shù)據(jù)支撐。

研究背景
由于服役環(huán)境惡劣，在航空、能源等領域廣泛應用的高附加值Inconel718高溫合金構件常發(fā)生失效，實現(xiàn)損傷構件的高質量修復對促進行業(yè)開展降本增效意義重大。為規(guī)避鍛造基底過熱，行業(yè)目前一般對Inconel718高溫合金修復件進行直接時效處理。然而，這導致修復區(qū)內殘留的硬脆Laves相嚴重劣化修復件的塑性、韌性和抗疲勞性。對此，本團隊研究發(fā)現(xiàn)通過激光定向能量沉積成形的修復區(qū)域具有非平衡快速凝固組織特征，修復區(qū)域枝晶間的Laves相尺寸和含量遠小于鑄造、焊接成形Inconel718高溫合金。因此，理論上存在既可實現(xiàn)修復區(qū)Laves相溶解同時又規(guī)避鍛造基底晶粒嚴重粗化的熱處理工藝窗口。對此，本工作提出了一種低溫短時長均勻化接續(xù)時效的新型熱處理制度，研究新制度下修復合金的跨區(qū)域微觀組織與力學性能的演變機理，推動增材制造在高端裝備零部件修復領域的工程化應用。

本文亮點
西安交通大學盧秉恒院士團隊黃科教授等人提出一種低溫短時長均勻化接續(xù)時效的新型熱處理制度用以調控增材修復Inconel718高溫合金的組織性能。研究發(fā)現(xiàn)低溫短時長均勻化處理可在有效溶解修復區(qū)內殘留鏈狀Laves相的同時規(guī)避鍛造基底等軸細晶的嚴重粗化，接續(xù)的時效處理則進一步實現(xiàn)了γ"相的全域析出。得益于硬脆共晶相的溶解與強化相的彌散析出，新制度處理后修復合金實現(xiàn)了相結構的跨區(qū)域均勻分布并改善了修復區(qū)、基底和熱影響區(qū)間的應變協(xié)調能力。新制度處理后增材修復合金的優(yōu)異強塑性將顯著提高構件在極端載荷條件下的服役安全并延長構件的剩余壽命。相關研究成果以“Enhanced strength and ductility of laser directed energy deposition repaired IN718 superalloy via a novel tailored heat treatment”為題，發(fā)表在“Journal of Materials Science & Technology”上。

圖文解析

圖1 (a) 低溫短時長均勻化接續(xù)時效新型熱處理制度示意圖，(b) 不同均勻化時長接續(xù)處理后修復區(qū)與基底的顯微硬度演變。

圖2 不同時長均勻化處理后修復合金的微觀組織演變：(a1-a6) 修復區(qū)Laves相形貌，(b1-b6)鍛造基底晶粒度。

圖3 不同時長均勻化處理后修復區(qū)內Laves相尺寸、分數(shù)演變與基底晶粒度演變統(tǒng)計。

圖4 修復合金界面跨區(qū)域微觀組織EBSD-IPF/KAM圖：(a1, a2) 沉積態(tài)修復合金，(b1, b2)直接時效處理修復合金，(c1, c2) 新制度熱處理修復合金；(d) 修復合金沉積區(qū)與基底極圖；(e) 修復合金特征區(qū)域晶粒度統(tǒng)計；(f) 修復合金特征區(qū)域KAM值。

圖5 修復合金修復區(qū)/熱影響區(qū)/基底跨區(qū)域微觀組織FE-SEM圖：(a1- a4) 沉積態(tài)修復合金，(b1-b4)直接時效處理修復合金，(c1-c4) 新制度熱處理修復合金。

圖6 無處理/直接時效處理/新制度熱處理樣品室溫工程應力-應變曲線：(a) 鍛造基底，(b) 修復區(qū)，(c) 修復合金；(d) 實際斷裂樣品。

圖7 室溫拉伸樣品斷口組織：(a1-a3) 沉積態(tài)修復合金，(b1-b3)直接時效處理修復合金，(c1-c3) 斷裂于修復區(qū)的新制度熱處理修復合金，(d1-d3)斷裂于界面正下方等軸晶區(qū)的新制度熱處理修復合金。

圖8 室溫拉伸樣品斷面組織：(a1-a3) 沉積態(tài)修復合金，(b1-b3)直接時效處理修復合金，(c1-c3) 斷裂于修復區(qū)的新制度熱處理修復合金，(d1-d3)斷裂于界面正下方等軸晶區(qū)的新制度熱處理修復合金。

圖9 新制度熱處理修復Inconel718高溫合金失效樣品界面跨區(qū)域微觀組織演變：(a) IPF圖，(b) KAM圖，(c) 界面上方柱狀晶FIB切取位置，(d) 界面下方等軸晶FIB切取位置，(e-f) 柱狀晶內位錯組態(tài)，(g-h) 等軸晶內位錯組態(tài)。

圖10 修復Inconel718高溫合金室溫拉伸變形期間的應變場演變：(a) 沉積態(tài)修復合金，(b) 直接時效處理修復合金，(c) 新制度熱處理修復合金；(d) 各樣品沉積區(qū)、熱影響區(qū)和基底的應變占比分布。

圖11 修復Inconel718高溫合金強塑性演變機制示意圖：(a) 直接時效處理修復合金，(b) 新制度熱處理修復合金。

總結與展望
為解決直接時效處理增材/焊接修復服役態(tài)Inconel 718高溫合金強度有余但塑性欠佳的行業(yè)難題，本文首次提出了一種低溫短時長均勻化接續(xù)時效的新型熱處理制度，系統(tǒng)研究了新型與傳統(tǒng)熱處理后激光定向能量沉積修復Inconel718高溫合金的組織與性能。結合OM/FE-SEM/EBSD/TEM等表征技術，對比分析了修復區(qū)/熱影響區(qū)/基底跨區(qū)域不均勻晶粒結構與相結構的演變機理。結果表明，新制度處理后修復區(qū)內Laves相的溶解極大規(guī)避了合金提前失效的風險，同時跨區(qū)域彌散、均勻分布的γ"相既充分保障了析出強化效應又改善了跨區(qū)域的應變協(xié)調能力。對比直接時效處理的修復合金，新制度處理后的修復合金在強度不變的前提下延展率提升了僅1倍，綜合性能也超過了鍛造合金標準。未來團隊擬對增材修復Inconel718高溫合金的疲勞、沖擊等關鍵服役性能開展深度測試評估，推廣相關增材制造技術與后熱處理制度在高附加值損傷件修復中的實際應用。

作者介紹
黃科，西安交通大學教授/博士生導師，國家級青年人才。長期致力于金屬增材制造、激光沖擊強化等工藝研究與裝備開發(fā)。主持基礎加強重點課題、兩機專項專題、173領域基金、國家自然科學基金面上等項目20余項。在Prog Mater Sci、Acta Mater、Int J Mach Tools Manuf、Addit Manuf、Int J Plasticity和J Mater Sci Technol等學術期刊上發(fā)表論文100余篇，入選愛思維爾2023中國高被引學者，授權國家發(fā)明專利30余項。

課題組網站鏈接：http://gr.xjtu.edu.cn/web/ke.huang
招聘信息：課題組長期招收金屬增材制造相關方向（拓撲優(yōu)化、在線監(jiān)測、數(shù)值模擬、數(shù)字孿生、材料設計等）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.