位错胞网络在增材制造的Inconel 718超级合金中引发了高密度退火孪晶的形成，并提高了该合金的热稳定性

《Materials Science and Engineering: A》：Dislocation-cellular networks triggered high density annealing twins of additively manufactured Inconel 718 superalloy and its thermal stability

激光粉末床熔融制备的Inconel 718合金中，高速冷却形成的位错-胞亚结构诱导退火孪晶形成，并揭示了孪晶界网络的高温稳定性机制。通过1200℃退火及多阶段时效处理获得63.4%的高孪晶分数，分析表明位错胞界面迁移驱动孪晶生长，而γ''/γ'析出相与δ-Ni3Nb相协同实现晶界钉扎。研究证实，在800-1000℃区间存在稳定的孪晶界存在，超过1000℃时析出相溶解导致晶界迁移，从而影响材料性能。这种热稳定性机制为增材制造材料的高温性能优化提供了理论依据。

　　这项研究聚焦于激光粉末床熔融（LPBF）工艺制造的Inconel 718超级合金中，由超快速冷却速率形成的高密度位错-胞状网络对退火孪晶形成的影响，以及这些孪晶边界网络在高温环境下的稳定性。Inconel 718作为一种以γ″（Ni?Nb）和γ′（Ni?(Al,Ti)）强化相著称的镍基超级合金，广泛应用于航空涡轮发动机、核反应堆核心以及先进燃烧系统等高温服役场景。其卓越的高温强度、蠕变抗性和耐腐蚀性能使其成为关键材料之一。然而，传统锻造工艺在制造复杂几何形状和实现高材料利用率方面存在一定的局限性，而LPBF作为一种金属增材制造技术，通过逐层熔融策略，能够实现高性能复杂结构的集成制造。

尽管LPBF工艺在制造过程中具有诸多优势，但其特有的超快速冷却速率和周期性热应力会导致独特的微观结构特征，如高密度的位错-胞状网络和非平衡子结构。这些结构虽然在初期能显著提升材料的强度，但在长期高温服役过程中却可能对材料的微观结构稳定性造成严重影响，尤其是在高温环境下，材料的性能可能会因结构退化而下降。因此，如何在高温服役条件下保持材料的结构稳定性和力学性能，成为当前研究的重点之一。

为了应对这一挑战，近年来“缺陷工程”策略的引入为材料性能的优化提供了新的思路。该策略充分利用了LPBF技术的独特优势，通过调控材料的微观结构和内部应力状态，从而实现对材料性能的精准控制。特别是在退火孪晶的形成与晶界钉扎机制的研究方面，学者们发现，位错-胞状网络不仅能够增强材料的机械性能，还能有效缓解打印过程中产生的残余应力。此外，这些胞状结构还可能成为退火孪晶形成的优先位点，从而在晶界工程中发挥重要作用。

退火孪晶是一种具有低能边界和晶体学有序结构的特殊晶界类型，其形成机制通常涉及位错的重排和迁移。在LPBF制造的Inconel 718中，由于超快速冷却速率，位错-胞状网络的形成尤为显著。这些网络不仅影响材料的初始性能，还对退火孪晶的形成和稳定性产生深远影响。研究发现，退火孪晶的形成与位错-胞状网络中的存储能量以及局部堆垛层错能的降低密切相关。在退火过程中，存储的能量驱动晶界迁移，而位错-胞状界面附近的堆垛层错能降低则为孪晶的形成提供了有利条件。这种形成机制被称为“生长事故机制”，即在材料变形过程中，位错的运动和排列导致了孪晶的产生。

此外，退火孪晶的稳定性不仅依赖于其自身的热力学特性，还受到材料中析出相的钉扎作用的影响。研究指出，γ″/γ′/δ析出相以及MC碳化物等稳定析出物，能够通过Zener钉扎效应显著增强退火孪晶的稳定性。在高温环境下，析出相的溶解会削弱这种钉扎作用，从而导致晶界迁移，进而减少退火孪晶的数量。这一发现表明，退火孪晶的稳定性具有一定的温度阈值，即在800°C至1100°C之间，退火孪晶的稳定性窗口可达约1000°C，而在高于这一温度时，材料的性能可能会因孪晶的减少而受到影响。

研究还发现，引入高密度的退火孪晶能够显著提升材料在室温下的强度和延展性。这种增强效应主要来源于孪晶边界对位错运动的阻碍作用，以及其在塑性变形过程中对应力的重新分布能力。然而，随着后续的高温暴露，材料的强度会有所下降，但延展性却会增加。这是因为高温环境下，析出相的溶解降低了材料的钉扎能力，使得位错的滑移阻力减小，同时，残余应力的释放也进一步改善了材料的塑性性能。

在这一研究中，作者通过系统的实验和分析，探讨了LPBF制造的Inconel 718中退火孪晶的形成机制及其在高温下的稳定性。研究结果不仅揭示了退火孪晶形成与稳定性的关键因素，还为优化增材制造材料的性能提供了可行的路径。通过对不同温度下析出相的演变和晶界特征的分布进行系统表征，作者进一步分析了这些微观结构变化对材料力学性能的影响。这一研究对于推动LPBF技术在极端高温环境下的应用具有重要意义，尤其是在需要兼顾强度与延展性的航空、航天和能源领域。

从微观结构的角度来看，LPBF制造的Inconel 718在退火和时效处理过程中，其位错-胞状网络和析出相的相互作用是决定材料性能的关键因素。在退火过程中，高密度的位错-胞状网络能够有效控制晶界迁移，并促进退火孪晶的形成。而时效处理则进一步增强了析出相的钉扎能力，使得退火孪晶在高温下保持稳定。然而，当温度超过一定阈值时，析出相的溶解会削弱这种钉扎作用，导致晶界迁移和退火孪晶的减少。这一现象表明，退火孪晶的稳定性与材料的热处理工艺密切相关，因此在设计高温服役材料时，需要综合考虑退火和时效的温度、时间以及冷却速率等因素。

从力学性能的角度来看，退火孪晶的引入能够显著改善材料的强度和延展性。在室温下，高密度的退火孪晶通过其低能边界特性，有效阻碍了位错的运动，从而提高了材料的强度。同时，退火孪晶的有序结构也有助于材料在塑性变形过程中保持结构完整性，提高了延展性。然而，在高温环境下，由于析出相的溶解和残余应力的释放，材料的强度会有所下降，但延展性却会增加。这种性能变化对于材料在高温服役条件下的应用具有重要影响，特别是在需要材料在高温下保持一定延展性的场合。

此外，研究还指出，LPBF制造的Inconel 718中，位错-胞状网络和析出相的相互作用是实现材料性能优化的重要途径。通过调控这些微观结构特征，可以有效提高材料在高温下的稳定性和力学性能。例如，通过控制退火和时效的温度和时间，可以实现对析出相分布和退火孪晶数量的精确调控。这种调控能力使得LPBF技术在制造高性能材料方面具有更大的灵活性和潜力。

总的来说，这项研究为理解LPBF制造的Inconel 718中退火孪晶的形成机制及其在高温下的稳定性提供了重要的理论依据。通过系统的实验和分析，作者揭示了位错-胞状网络和析出相在材料性能优化中的关键作用，并提出了基于微观结构调控的材料性能优化策略。这些发现不仅有助于提升LPBF制造材料的高温服役性能，还为未来在极端环境下应用增材制造技术提供了新的思路和方法。