IN718超级合金环的微观结构演变及超塑性研究：通过真空离心铸造、热机械控制环轧工艺及标准热处理方法

《Materials Science and Engineering: A》：Microstructural evolution and superplasticity of IN718 superalloy rings via vacuum centrifugal casting, thermo-mechanical controlled ring rolling and standard heat treatment

为高效制备IN718超合金环件，本研究提出真空离心铸造与热力学控轧（TMCRR）的集成工艺。铸态环坯具有无缺陷、细晶（ASTM 4）的均匀组织，离心场诱导位错网络和Nb富集促进γ''析出。与常规环轧相比，TMCRR通过低温轧制和快速冷却抑制γ''→δ相过度转变，减少粗大莱氏相形成，退火后莱氏相溶解为亚微米颗粒，形成层次化断裂机制，最终实现1382±22 MPa抗拉强度和31.2±1.2%延伸率。该工艺为厚壁环件短流程制备与性能优化提供新策略。

　　本文探讨了一种用于制造IN718超合金环形部件的高效短流程工艺，该工艺结合了真空离心铸造与热机械控制环轧（TMCRR）技术。研究旨在通过优化铸造和轧制过程，提升材料的综合性能，同时降低制造成本与能耗。IN718超合金因其优异的高温强度、耐腐蚀性和抗氧化性，长期以来被广泛应用于航空与航天领域，尤其是在涡轮壳体、密封环和导向环等关键部件中。然而，传统的制造工艺存在流程冗长、能耗高以及材料利用率低等问题，难以满足现代工业对高效生产与性能优化的双重需求。

在实际应用中，IN718合金的制造通常采用传统的镦粗-穿孔-环轧工艺，该方法虽然能够生产出满足要求的环形部件，但其过程复杂，涉及多个步骤，不仅增加了生产周期，也提高了能耗和成本。此外，由于材料的高敏感性，传统工艺对温度和应变等参数的控制要求极为严格，使得制造过程中的质量控制难度较大。近年来，粉末冶金（PM）技术因其能够实现更均匀的微观组织而受到关注，但其高昂的成本和较低的致密度限制了其在大规模生产中的应用。

因此，研究者们开始探索更高效的制造工艺，以解决上述问题。离心铸造与环轧的结合被认为是实现短流程制造的一种有前景的方法。这种方法能够在铸造过程中直接形成环形坯料，随后通过环轧工艺获得最终的几何形状和更致密的微观结构。该技术已被初步应用于结构钢环的生产，如42CrMo、25Mn钢和Q235B钢等。然而，对于镍基高温超合金的应用仍较为有限。IN718合金对热机械加工参数极为敏感，其微观组织演变高度依赖于初始状态。离心铸造过程中快速凝固可能导致元素偏析、形成共晶Laves相以及非均匀的γ″析出，这些现象可能显著影响后续的再结晶行为和相变路径。

为了克服这些挑战，本文提出了一种结合真空离心铸造与热机械控制环轧的短流程制造方法。该方法通过精确控制铸造条件、浇注参数和离心速度，成功制备了具有无宏观偏析、缩孔和裂纹缺陷的高质量IN718环形坯料。在环轧过程中，采用了一种新的热机械控制策略，即通过降低最终轧制温度并实现快速冷却，有效抑制了γ″向δ相的过度转变。这种控制方式使得δ相的析出更加有限且分散，从而避免了晶界迁移，实现了平均尺寸为13.6微米（ASTM 9）的细小再结晶晶粒结构。

在热处理过程中，Laves相被溶解为亚微米级的颗粒，这为材料的断裂行为提供了多层次的控制机制。这些细小的Laves相颗粒能够延缓裂纹的扩展，并通过微裂纹松弛和裂纹偏转等方式增强材料的能量吸收能力。最终，TMCRR工艺制备的样品表现出优异的力学性能，其抗拉强度达到1382±22兆帕，延伸率约为31.2±1.2%。这些数据表明，通过结合铸造阶段的微观结构设计、热机械变形阶段的相变控制以及热处理阶段的响应调控，可以实现一种高效、短流程的制造路径，适用于厚壁IN718环形部件的生产。

本文还系统地分析了铸造状态下γ″相的析出机制、热机械变形过程中相变路径的演变，以及δ相和Laves相在材料性能中的作用。通过深入研究这些微观结构的演变过程，不仅为IN718合金的短流程制造提供了可行的策略，也对复杂合金成型过程中多尺度微观结构的演化与调控提供了宝贵的理论依据。此外，研究还探讨了δ相钉扎和Laves相碎裂在影响断裂行为中的机制作用，进一步揭示了材料在不同加工条件下的性能表现。

在合金制备方面，本文采用了先进的真空离心铸造技术，利用定制设计的集成真空熔炼系统，配合离心转台，实现了对熔炼条件、浇注参数和离心速度的精确控制。该系统能够确保合金成分的均匀分布，减少铸造过程中可能产生的缺陷。IN718超合金的化学成分在文中列出，为后续的微观结构分析和性能测试提供了基础数据。铸造模具采用AISI 1045钢制造，内径为320毫米，壁厚为20毫米，这为获得高精度的环形坯料提供了必要的结构支持。

在铸造后的微观结构分析中，研究发现通过真空离心铸造获得的环形坯料具有均匀的等轴晶结构，且在晶粒内部和晶界处分布着分散的γ″强化析出相。这种微观结构的形成得益于离心场引起的位错网络以及铌元素的富集，这些因素促进了γ″相在凝固过程中的析出。相比之下，传统环轧工艺（CRR）会导致连续的脆性δ相网络和粗大的Laves相沿晶界析出，这可能降低材料的延展性和韧性。而TMCRR工艺通过优化热机械加工参数，成功抑制了γ″向δ相的过度转变，使得δ相的析出更加有限，从而有效避免了晶界迁移，实现了更细小的再结晶晶粒结构。

在γ″相析出机制的研究中，本文利用经典成核理论（CNT）分析了离心场对γ″相成核的影响。研究表明，离心场不仅能够促进γ″相的形成，还能通过控制成核条件，如化学驱动力、表面能和界面能，来优化其析出行为。这种优化使得γ″相能够在材料内部均匀分布，形成有效的强化效应，从而提升材料的力学性能。此外，研究还发现，γ″相的析出与材料的凝固速率密切相关，快速凝固有助于形成更细小的析出相，提高材料的强度和韧性。

在热机械变形过程中，材料的微观结构会发生显著变化。TMCRR工艺通过降低最终轧制温度并实现快速冷却，有效控制了γ″相向δ相的转变。这种控制策略不仅减少了δ相的析出量，还避免了其在晶界处的聚集，从而降低了材料的脆性倾向。研究还发现，Laves相在热处理过程中被分解为亚微米级的颗粒，这些颗粒能够与γ″相共同作用，形成复杂的微观结构，进一步提升材料的综合性能。

在材料的断裂行为分析中，研究者们发现δ相的钉扎作用和Laves相的碎裂行为对材料的韧性有重要影响。δ相的钉扎作用能够阻碍裂纹的扩展，提高材料的断裂韧性，而Laves相的碎裂则能够通过改变裂纹路径，延缓裂纹的传播。这种多级断裂机制使得材料在受到外力作用时能够更好地吸收能量，提高其抗裂性能。此外，材料的微观组织均匀性也是影响其力学性能的重要因素，均匀的等轴晶结构能够有效减少应力集中，提高材料的整体性能。

本文的研究成果不仅为IN718合金的短流程制造提供了新的思路，也为其他高温合金的加工工艺优化提供了借鉴。通过结合铸造、轧制和热处理等多个阶段的工艺控制，研究者们成功实现了对材料微观结构的精确调控，从而提升了其力学性能。这种工艺的推广和应用有望在航空与航天领域带来显著的技术进步，提高材料的性能和制造效率。

此外，本文的研究还强调了工业应用的重要性。尽管实验室条件下的研究取得了显著成果，但在实际生产中，如何实现工艺的稳定性和可重复性仍然是一个关键问题。为此，研究者们提出了多种优化策略，包括改进铸造模具的设计、优化热机械加工参数以及加强热处理过程的控制。这些策略不仅有助于提高材料的性能，还能够降低生产成本，提高材料的利用率，从而满足工业生产的需求。

综上所述，本文通过系统的研究，揭示了IN718合金在短流程制造过程中的微观结构演变机制，为实现高效、高质量的环形部件生产提供了理论支持和实践指导。未来的研究可以进一步探索该工艺在不同合金体系中的适用性，以及如何通过工艺优化实现更广泛的工业应用。