西安交大黃科教授課題組：增材制造修復(fù)Inconel718高溫合金高強塑性熱處理調(diào)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(xué)
來源： 材料科學(xué)和技術(shù)
DOI: 10.1016/j.jmst.2024.03.008

本文開展了激光定向能量沉積修復(fù)Inconel718高溫合金跨區(qū)域微觀組織及力學(xué)性能的調(diào)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(fù)合金，溶解修復(fù)區(qū)內(nèi)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(fù)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(fù)件的后處理制度設(shè)計提供了理論指導(dǎo)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(lǐng)域廣泛應(yīng)用的高附加值Inconel718高溫合金構(gòu)件常發(fā)生失效，實現(xiàn)損傷構(gòu)件的高質(zhì)量修復(fù)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(fù)件進行直接時效處理。然而，這導(dǎo)致修復(fù)區(qū)內(nèi)殘留的硬脆Laves相嚴(yán)重劣化修復(fù)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(fù)區(qū)域具有非平衡快速凝固組織特征，修復(fù)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(fù)區(qū)Laves相溶解同時又規(guī)避鍛造基底晶粒嚴(yán)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(fù)合金的跨區(qū)域微觀組織與力學(xué)性能的演變機理，推動增材制造在高端裝備零部件修復(fù)領(lǐng)域的工程化應(yīng)用。

本文亮點
西安交通大學(xué)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(diào)控增材修復(fù)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(fù)區(qū)內(nèi)殘留鏈狀Laves相的同時規(guī)避鍛造基底等軸細(xì)晶的嚴(yán)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(fù)合金實現(xiàn)了相結(jié)構(gòu)的跨區(qū)域均勻分布并改善了修復(fù)區(qū)、基底和熱影響區(qū)間的應(yīng)變協(xié)調(diào)能力。新制度處理后增材修復(fù)合金的優(yōu)異強塑性將顯著提高構(gòu)件在極端載荷條件下的服役安全并延長構(gòu)件的剩余壽命。相關(guān)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(fù)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(fù)合金的微觀組織演變：(a1-a6) 修復(fù)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(fù)區(qū)內(nèi)Laves相尺寸、分?jǐn)?shù)演變與基底晶粒度演變統(tǒng)計。

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

圖5 修復(fù)合金修復(fù)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(fù)合金，(b1-b4)直接時效處理修復(fù)合金，(c1-c4) 新制度熱處理修復(fù)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(yīng)力-應(yīng)變曲線：(a) 鍛造基底，(b) 修復(fù)區(qū)，(c) 修復(fù)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(fù)合金，(b1-b3)直接時效處理修復(fù)合金，(c1-c3) 斷裂于修復(fù)區(qū)的新制度熱處理修復(fù)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(fù)合金。

圖8 室溫拉伸樣品斷面組織：(a1-a3) 沉積態(tài)修復(fù)合金，(b1-b3)直接時效處理修復(fù)合金，(c1-c3) 斷裂于修復(fù)區(qū)的新制度熱處理修復(fù)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(fù)合金。

圖9 新制度熱處理修復(fù)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(nèi)位錯組態(tài)，(g-h) 等軸晶內(nèi)位錯組態(tài)。

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

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

總結(jié)與展望
為解決直接時效處理增材/焊接修復(fù)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(fù)Inconel718高溫合金的組織與性能。結(jié)合OM/FE-SEM/EBSD/TEM等表征技術(shù)，對比分析了修復(fù)區(qū)/熱影響區(qū)/基底跨區(qū)域不均勻晶粒結(jié)構(gòu)與相結(jié)構(gòu)的演變機理。結(jié)果表明，新制度處理后修復(fù)區(qū)內(nèi)Laves相的溶解極大規(guī)避了合金提前失效的風(fēng)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(yīng)又改善了跨區(qū)域的應(yīng)變協(xié)調(diào)能力。對比直接時效處理的修復(fù)合金，新制度處理后的修復(fù)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(biāo)準(zhǔn)。未來團隊擬對增材修復(fù)Inconel718高溫合金的疲勞、沖擊等關(guān)鍵服役性能開展深度測試評估，推廣相關(guān)增材制造技術(shù)與后熱處理制度在高附加值損傷件修復(fù)中的實際應(yīng)用。

作者介紹
黃科，西安交通大學(xué)教授/博士生導(dǎo)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(chǔ)加強重點課題、兩機專項專題、173領(lǐng)域基金、國家自然科學(xué)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(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文100余篇，入選愛思維爾2023中國高被引學(xué)者，授權(quán)國家發(fā)明專利30余項。

課題組網(wǎng)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(guān)方向（拓?fù)鋬?yōu)化、在線監(jiān)測、數(shù)值模擬、數(shù)字孿生、材料設(shè)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.