低Laves相含量改性Inconel 718的定向能量沉积：多尺度热处理下组织与性能演变规律

针对激光定向能量沉积（LDED）修复Inconel 718合金时存在的修复区-基体性能差异问题，研究人员通过Ti2AlC改性设计低Laves相含量材料，系统研究均质化+固溶+时效（HSA）、固溶+时效（SA）和直接时效（A）三种热处理对γ’相、δ相及(Nb,Ti)(C,N)碳氮化物的调控机制。发现A处理可提升屈服强度47.8%，揭示γ’’相沉淀强化主导作用，为航空航天高强韧激光修复提供新策略。

　　

在航空航天领域，价值高昂的镍基高温合金部件常因极端工况导致损伤，传统更换方案成本高昂且不环保。以Inconel 718为代表的合金虽具备优异高温性能，但激光定向能量沉积（Laser Directed Energy Deposition, LDED）修复时面临核心矛盾：修复区因快速凝固形成的Laves相（富含Nb、Mo的脆性金属间化合物）和缺乏γ’’/γ’纳米强化相（镍基合金主要强化相），与热处理优化的基体存在400 MPa以上强度差。这种"补丁效应"易引发应力集中，大幅缩短部件寿命。更棘手的是，常规时效处理虽能促进γ’’相析出，却无法消除粗大Laves相的结构危害。

中国国家自然科学基金支持的研究团队创新性地采用Ti₂AlC颗粒改性策略，通过原位合金化将长链Laves相转化为球形(Nb,Ti)(C,N)碳氮化物，使沉积态Laves相含量降至1%以下，并诱导γ’相直接析出。为探究该材料性能优化路径，研究人员系统设计HSA、SA、A三种热处理制度，结合X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）和力学测试，揭示相变规律与性能关联机制。

关键技术方法包括：1）采用等离子旋转电极法制备53-150 μm的Inconel 718粉末与25 μm Ti₂AlC粉末复合；2）通过激光定向能量沉积制备10 vol.% Ti₂AlC/Inconel 718复合材料；3）采用Scheil-Gulliver模型（非平衡凝固模拟方法）预测相组成；4）实施三种热处理方案：1100°C/1h均质化+980°C/1h固溶+720°C/8h+620°C/8h时效（HSA）、980°C/1h固溶+相同时效（SA）、直接时效（A）。

Microstructural analysis
XRD与SEM显示：沉积态材料中Ti₂AlC完全合金化，形成γ基体与(Nb,Ti)(C,N)颗粒的复合结构。HSA处理使Laves相完全溶解，但导致γ’相回溶；A处理保留少量Laves相，但促进γ’’相密集析出。δ相（Ni₃Nb正交结构相）在所有热处理样品中析出，其含量随处理温度升高而递减。

Formation of (Nb,Ti)(C,N) and its cracking behavior
发现(Nb,Ti)(C,N)颗粒以Al₂O₃为核心形成核壳结构，能有效阻碍裂纹扩展。热力学计算证实Ti₂AlC添加改变了凝固路径，优先形成MC型碳化物而非Laves相。

Conclusions
研究得出三大创新结论：1）直接时效（A）使屈服强度提升47.8%，主要源于γ’’相（Ni₃Nb亚稳相）沉淀强化，但δ相导致延伸率下降70.3%；2）均质化处理虽细化晶粒，但因γ’相溶解使HSA样品屈服强度降低15.4%；3）SA处理在溶解Laves相与保留γ’相间取得平衡，强度提升11.2%。该工作突破传统修复材料依赖后热处理的局限，证明通过原位合金化设计可直接获得高性能沉积态组织，为发展"近净成形"修复技术奠定基础。

讨论部分强调，Ti₂AlC改性策略成功将有害相转化为强化相，但δ相与塑性矛盾仍需解决。未来可通过调整Ti/Al比或引入纳米氧化物进一步优化。该成果发表于《Materials Science and Engineering: A》，为航空航天关键部件寿命延长提供新思路，据测算可降低45%碳排放，具有显著工程价值。