原位溶质工程：TiN分解调控增材制造Inconel 718高温性能的强化机制与微观结构演变

为解决传统镍基高温合金制备工艺复杂、高温性能不足的问题，Avinash Chavan团队通过激光粉末定向能量沉积（LPDED）技术，创新性地利用TiN分解实现原位溶质调控，揭示了Ti/N释放对γ′/γ′′相竞争析出及动态应变时效（DSA）的调控机制，使3 wt% TiN复合材料的650℃屈服强度提升至1371 MPa，为航空航天高温部件设计提供了新策略。

　　

镍基高温合金Inconel 718（IN 718）因其卓越的650℃以下高温稳定性，长期占据航空发动机涡轮叶片材料的核心地位。然而，传统铸造和粉末冶金工艺面临几何设计局限、生产周期长等瓶颈，而现有增材制造（AM）技术又难以兼顾复杂结构与高温性能。更关键的是，陶瓷增强相如TiN在IN 718中的作用机制存在争议——既有研究报道其可能引发微裂纹，也有证据表明它能通过晶粒细化提升强度。这种矛盾背后，隐藏着一个更深层的科学问题：TiN究竟是单纯的物理增强相，还是能通过化学相互作用主动调控材料性能？

韩国科学技术院（KAIST）的Avinash Chavan团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表的研究，给出了突破性答案。他们发现TiN在激光粉末定向能量沉积（LPDED）过程中会发生部分分解，释放的钛（Ti）和氮（N）原子如同"微观建筑师"，通过改变局部化学环境重塑IN 718的相平衡。这种原位溶质工程（in-situ solute engineering）策略不仅解开了TiN强化机制的谜团，更实现了高达46.7%的晶粒细化与1371 MPa的650℃屈服强度，为下一代高温材料设计开辟了新范式。

研究团队采用表面改性增强移植（SMART）技术制备核壳结构复合粉末，通过LPDED工艺构建TiN含量1-3 wt%的IN 718金属基复合材料（MMCs），结合双级时效热处理（1100℃固溶+720℃/620℃分级时效）优化组织。借助X射线衍射（XRD）、电子背散射衍射（EBSD）和透射电镜（TEM）等多尺度表征手段，系统解析了TiN分解-再沉淀路径及其对γ′（Ni₃(Al,Ti)）/γ′′（Ni₃Nb）相竞争的调控规律。

相与微观结构分析显示，TiN分解导致γ相晶格膨胀（3.597→3.768 ?），EPMA图谱证实Nb在枝晶间偏聚形成（Ti,Nb)N相。热处理后，2 wt% TiN样品中TiN颗粒呈现表面能主导的Wulff多面体形貌，Al₂O₃核心-TiN外壳的独特结构暗示了异质成核机制。EBSD证实3 wt% TiN使晶粒尺寸减小46.7%，且抑制了退火孪晶形成。

γ′/γ′′沉淀行为研究发现，TiN分解增加的Ti活度使γ′体积分数提升27%，而γ′′相呈现各向异性生长——垂直尺寸缩小而水平扩展。3 wt% TiN样品中出现"三明治"状γ′′-γ′-γ′′共沉淀结构，STEM分析表明该构型通过弹性应变能最小化实现稳定化。热力学计算显示γ′相界面能从0.069 J/m²增至0.087 J/m²，而γ′′相粗化系数降低两个数量级（2.8×10^-31→1×10^-32 m³/s），证实Ti/N溶质显著抑制γ′′稳定性。

高温变形机制揭示，650℃拉伸时TiN添加使动态应变时效（DSA）加剧，表现为锯齿流变从B型向C型转变。计算表明氮扩散长度（~0.6 μm）与位错段相当，导致位错拖曳-脱钉循环。断裂分析显示裂纹优先在TiN颗粒内Al₂O₃核心处萌生，而非界面，证实IN 718/TiN界面强结合。

强化机制量化表明，3 wt% TiN使理论屈服强度达1580 MPa（实验值1475 MPa），其中γ′剪切强化贡献占比49.4%，间隙氮原子通过非对称应变场提供94 MPa增量。热膨胀系数匹配（IN 718:13.37×10^-6/℃ vs TiN:9.4×10^-6/℃）保障了高温界面稳定性。

这项研究颠覆了传统陶瓷增强相的设计理念，证明TiN可通过"分解-再沉淀"动态调控基体化学环境，实现从被动增强到主动设计的范式转变。其揭示的γ′/γ′′竞争沉淀规律与氮间隙原子强化机制，不仅为开发新型高温MMCs提供理论指导，更将SMART-LPDED技术的应用边界推向极端环境部件制造。值得注意的是，Al₂O₃核心对TiN形核的促进作用暗示了氧化物-氮化物协同强化的新可能，这将成为未来研究的重要方向。