热处理对LPBF GH3535高温合金显微组织、力学性能及辐照响应的影响研究及其核工业应用价值分析

本研究针对增材制造合金在力学性能与抗辐照性难以兼顾的问题，通过激光粉末床熔融技术制备高致密度GH3535高温合金，结合热等静压与固溶处理两步热处理工艺，系统分析了热处理对显微组织、力学性能及氦泡辐照行为的影响。结果表明LPBF-HIP-SSHT试样展现出优异室温/高温延性及抗辐照硬化能力，其性能提升主要归因于纳米碳化物的弥散分布，为核工业部件结构优化提供了重要理论依据和技术支撑。

　　

在下一代先进反应堆的结构优化领域，增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术展现出巨大潜力，但该技术制备的合金往往难以同时实现优异的力学性能和抗辐照性能。这一矛盾成为制约AM技术核工业应用的瓶颈问题。GH3535作为一种典型镍基高温合金，在高温环境下具有出色的力学性能和耐腐蚀性，但传统制造工艺难以满足复杂结构部件的制备需求。激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）技术虽能实现复杂结构一体化成型，但其快速凝固特性易导致显微组织不均匀、残余应力集中等问题，直接影响部件的服役性能。

针对这一挑战，南京航空航天大学核科学与技术系孙章杰、陈飞达、李建建、杨琨和汤晓斌研究团队在《Materials Characterization》发表了系统性研究成果。该研究通过LPBF技术成功制备出理论密度达99.996%的GH3535高温合金，并创新性地采用热等静压（Hot Isostatic Pressing, HIP）与固溶热处理（Solid Solution Heat Treatment, SSHT）相结合的两步热处理工艺，首次全面评估了不同热处理状态对合金显微组织、力学性能及辐照响应特性的影响规律。

研究主要采用激光粉末床熔融技术制备试样，结合热等静压（1200°C/100 MPa/4 h）和固溶处理（1170°C/0.5 h）工艺，通过透射电子显微镜（TEM）进行显微组织表征，采用室温及700°C高温拉伸试验评价力学性能，利用纳米压痕技术量化辐照硬化行为，并结合氦泡统计评估分析辐照损伤耐受性。

显微组织演化规律

通过TEM观察发现，LPBF制备态试样存在明显的熔池边界和定向外延生长特征，HIP处理后显著消除内部缺陷并促进再结晶过程，而SSHT处理进一步优化晶界形态并促进纳米级M₂₃C₆型碳化物的弥散析出，形成均匀稳定的显微组织。

力学性能提升机制

拉伸试验表明：LPBF-HIP-SSHT试样在室温和700°C条件下均表现出最优的塑性变形能力，其延伸率较LPBF制备态提升约40%。这种改善主要归因于热处理过程中内部缺陷的消除和纳米碳化物的强化作用，实现了强度与塑性的良好匹配。

辐照响应特性分析

经氦离子辐照后，纳米压痕测试显示LPBF-HIP-SSHT试样具有最低的辐照硬化率。TEM观测发现LPBF态与LPBF-HIP-SSHT试样的氦泡尺寸和数密度相近，但后者因纳米碳化物的存在有效抑制了氦泡的长大和 coalescence（合并）过程，表现出更优异的氦耐受性。

性能对比研究

值得注意的是，LPBF-HIP试样虽消除了制造缺陷，但因缺乏SSHT处理形成的纳米碳化物强化相，其抗辐照硬化能力显著低于LPBF-HIP-SSHT试样，这证实了固溶处理对提升辐照性能的关键作用。

研究结论表明：两步热处理工艺（HIP+SSHT）可有效优化LPBF GH3535合金的显微组织，不仅显著提升其室温与高温力学性能，更重要的是通过纳米碳化物的调控大幅增强了抗辐照硬化能力和氦泡耐受性。这种性能改善主要源于SSHT处理过程中形成的纳米级碳化物能够作为氦泡形核点，有效抑制氦泡的粗化过程，同时增强晶界稳定性。

该研究的重大意义在于首次建立了LPBF GH3535合金热处理工艺-显微组织-辐照性能的构效关系，为新一代反应堆结构材料的增材制造工艺优化提供了关键实验依据。其所开发的LPBF-HIP-SSHT协同处理技术，成功解决了增材制造合金力学性能与抗辐照性能难以兼顾的行业难题，对推动先进核能装备的轻量化、集成化发展具有重要工程应用价值。