超声波振动与热处理相结合对激光定向能量沉积法制备的Inconel 939合金的微观结构及高温力学性能的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：Effects of ultrasonic vibration combined with heat treatments on microstructure and high-temperature mechanical properties of Inconel 939 fabricated by laser-directed energy deposition

激光增材制造（LDED）中超声振动（UV）与后热处理（HT）协同优化Inconel 939高温性能研究。通过调节超声幅度（10-27μm）结合固溶-时效处理，实现柱状晶向近等轴细晶转变，γ'相密度提升至92.3 vol%，硬度增加13.5%至404 HV1.0，650℃抗拉强度达841 MPa（横向）和722 MPa（纵向），摩擦系数降低至0.65。微观分析显示，超声空化效应与热处理共同作用抑制位错运动，形成致密氧化膜（O含量12.3%），有效缓解界面应力集中。该工艺可显著提升高温合金的强度、延展性和耐磨性，为航空发动机关键部件再制造提供新方案。

　　这项研究探讨了辅助超声振动（UV）与后续热处理（HT）协同作用对激光定向能量沉积（LDED）制造的Inconel 939镍基高温合金微观结构及高温机械性能的影响。研究结果表明，这种组合处理方式能够显著改善材料的微观结构，使其呈现出均匀分布的等轴晶粒以及密集且球形的γ'析出相，从而提升材料的高温强度、延展性和耐磨性。

Inconel 939是一种通过析出强化的镍基高温合金，因其在高温下的优异蠕变强度、抗腐蚀和抗氧化能力，广泛应用于航空发动机的关键高温部件，如燃油喷嘴、涡轮叶片和叶片。该合金在高温环境下的高强度主要归因于其分散的γ'析出相（Ni?(Al, Ti)），这些析出相含有大量的铝和钛元素。然而，在极端的工作条件下，这些高温部件可能会受到表面侵蚀、热腐蚀/氧化、低周疲劳裂纹和硫化等机制的损害。因此，发展有效的修复和再制造技术对于延长Inconel 939部件的使用寿命至关重要。

LDED作为一种增材制造（AM）或3D打印技术，能够通过逐层堆叠的方式，从预定义的计算机辅助设计（CAD）模型快速制造近净成形的部件。LDED制造的镍基合金通常经历快速熔化和冷却过程，导致沿沉积方向形成具有高度热梯度的柱状晶粒结构。这种柱状晶粒结构带来了显著的微观结构和机械性能各向异性，而这种各向异性往往难以通过后续热处理完全消除。此外，固相过程中微偏析现象在镍基高温合金中也十分显著，这种偏析促使次生相（如脆性金属间化合物或碳化物）优先在晶间区域析出，进一步加剧了材料的机械性能各向异性，并影响其疲劳性能和使用寿命。

为了解决上述问题，研究人员引入了超声振动作为辅助能量场，与LDED过程相结合。超声振动在熔池中产生的空化效应、声流效应和机械效应能够有效促进微观结构的均匀化，并细化晶粒尺寸，从而增强材料的机械性能，符合Hall-Petch效应。实验表明，当超声振幅增加至27微米时，柱状晶粒逐渐被细小且接近等轴的晶粒取代，晶粒的取向趋于随机分布，从而显著降低各向异性。然而，当振幅进一步增加至37微米时，熔池的稳定性受到影响，导致沉积层表面粗糙不平，甚至出现后续层沉积失败的情况。因此，最终选择将超声振幅控制在10至27微米之间，以确保工艺的稳定性。

在后续的热处理过程中，研究团队采用了溶解和时效处理相结合的方式。溶解处理的温度通常超过γ'析出相的溶解温度（约为1160°C），以确保其完全溶解到基体中。随后的时效处理则促进γ'析出相的均匀分散和细小化，并形成MC或M??C?类型的碳化物。这种热处理不仅增强了材料的强度，还进一步优化了其微观结构，使其在高温环境下表现出更优异的性能。

在微观结构分析方面，通过光学显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）观察到，超声振动的引入显著改变了LDED制造的Inconel 939的晶粒形态。在无超声振动的情况下，材料呈现出明显的柱状晶粒结构，晶粒尺寸较大，且具有较强的取向特征。随着超声振幅的增加，晶粒逐渐细化，取向趋于随机分布，最终形成接近等轴的晶粒结构。此外，EBSD分析进一步揭示了晶粒取向的变化趋势，表明超声振动的协同作用有效抑制了晶粒的定向生长，并促进了晶粒的均匀分布。

在机械性能测试中，研究团队评估了LDED制造的Inconel 939在650°C下的拉伸强度和延展性。结果表明，未经过超声振动处理的样品表现出明显的各向异性，其横向拉伸试样的强度和延展性均高于纵向试样。这种各向异性主要源于柱状晶粒的排列方向与沉积方向一致，使得材料在垂直于晶粒边界的方向上更容易发生晶间脆性断裂。然而，当引入超声振动后，横向和纵向试样的拉伸强度和延展性均得到显著提升。特别是，在27微米的超声振幅下，材料的晶粒细化显著增强了其强度和延展性，符合Hall-Petch效应。进一步的时效处理则通过促进γ'析出相的形成，进一步提高了材料的强度，但略微降低了延展性。尽管如此，由于材料表面形成了细小的凹坑，其延展性仍然保持在较高水平。

在高温耐磨性测试中，研究团队使用了HT-1000型摩擦磨损试验机，评估了不同处理方式对材料耐磨性能的影响。测试结果表明，经过超声振动和时效处理的样品在650°C下的摩擦系数最低，且磨损痕迹最浅，表面形貌最为均匀。这表明，这种组合处理方式显著提升了材料的耐磨性能。此外，通过SEM和EDS分析发现，超声振动处理的样品表面形成了更密集且附着性更强的氧化膜。这种氧化膜在摩擦过程中起到了润滑介质的作用，通过剪切诱导的滑动有效减少了直接接触磨损。而时效处理形成的γ'析出相则通过其高硬度和热稳定性，为氧化膜提供了机械支撑，并有效缓解了氧化膜与基体之间的界面应力集中，延缓了氧化膜的剥离倾向。

综上所述，这项研究揭示了超声振动与热处理协同作用在改善LDED制造的Inconel 939高温合金性能方面的巨大潜力。通过优化工艺参数，研究人员成功实现了晶粒细化和微观结构均匀化，从而提升了材料的高温强度、延展性和耐磨性。这些发现为未来高温合金的增材制造技术提供了新的思路，也为工业应用中的高温部件修复和再制造提供了有力的技术支持。