Inconel 718大尺寸空腔冷气喷涂修复中的残余应力分布：几何约束对修复性能的影响机制

为解决航空部件大尺寸空腔修复中残余应力(RS)分布不均导致的界面失效问题，德国研究团队通过冷气喷涂(CGS)技术修复4 mm深锥形空腔，结合中子衍射与显微硬度分析，揭示了圆柱几何约束下压缩-拉伸RS的平衡机制，为高精度修复工艺优化提供理论支撑。

　　

航空发动机关键部件Inconel 718合金在长期服役中易产生毫米级深腔损伤，传统熔焊修复会导致热影响区性能劣化。冷气喷涂(CGS)作为一种固态沉积技术，能实现低温修复，但大尺寸空腔修复面临两大挑战：几何约束引发的残余应力(RS)重分布可能引发界面剥离，而现有研究多局限于平板试样，无法反映曲率部件的真实力学状态。

德国于利希研究中心联合法国劳厄-朗之万研究所的Florian Lang团队在《Surface and Coatings Technology》发表研究，首次系统分析了圆柱形Inconel 718试样上4 mm深锥形空腔的CGS修复特性。通过设计"冷参数"(4 MPa/1223 K)与"热参数"(4.5 MPa/1323 K)两组工艺，结合中子衍射全场应力测绘与增量钻孔法，揭示了曲率对RS分布的关键影响。

关键技术包括：1) 采用Impact Gun 5/11系统进行46层交错扫描沉积；2) SALSA中子衍射仪以γ-Ni{311}晶面为检测对象，空间分辨率达0.6 mm；3) 2000点显微硬度(HV 0.1)网格化检测；4) 增量钻孔法(ASTM E837-20)分析近表面RS梯度。

3.1 涂层质量与结合性能
BSE-SEM显示修复区呈现典型塑性变形组织，Al-Ni固溶体颗粒均匀分布。60°锥角侧壁界面无缺陷，但圆柱面过渡区出现局部剥离，归因于气流扰动导致的沉积角度偏离最优90°。

3.2 显微硬度分布
修复区硬度达511±43 HV_0.1
(冷参数)和537±38 HV_0.1
(热参数)，是基体(265±14 HV_0.1
)的1.9倍，证实剧烈加工硬化。硬度跃迁界面宽度仅40 μm，对应机械加工影响区。

3.3 增量钻孔分析
冷参数在修复区产生方向异性RS：轴向(σ_x
=-73±19 MPa)低于周向(σ_y
=-256±44 MPa)，反映30 mm长空腔的几何约束效应。热参数使轴向RS转为拉应力(22±29 MPa)，显示温度对应力调控的有效性。

3.4 中子衍射分析
全场测绘表明：1) 冷/热参数在修复区分别产生-308±72 MPa和-306±79 MPa的周向压应力；2) 热参数使轴向压应力降低53%(-160→-141 MPa)；3) 基体过渡区存在89-108 MPa拉应力平衡带。衍射峰宽增加1.7-1.8倍，佐证剧烈塑性变形。

该研究首次阐明曲率部件CGS修复的应力分布规律：1) 锥角设计可缓解侧壁结合缺陷；2) 几何约束导致周向压应力比轴向高47%；3) 提高气体温度可定向调控应力状态。尽管过渡区剥离需进一步研究，但证实4 mm深腔修复的力学完整性，为航空部件现场修复提供工艺窗口。通过中子衍射与增量钻孔的多尺度验证，建立了曲率-应力-工艺参数的定量关系模型，推动CGS从涂层技术向结构修复的跨越发展。