通过热等静压改善大层厚激光粉末床熔融制备Inconel 718合金的高温力学性能

《Materials Science and Engineering: A》：Improving elevated-temperature mechanical property of large-layer-thickness laser powder bed fusion processed Inconel 718 alloy by hot isostatic pressing

　　

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  大层厚SLM结合HIP提高了成形速率和性能
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  晶界δ相和最优γ″尺寸增强了强韧性协同
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  直接时效保留了HIP微观组织，实现析出相控制
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  HIP修复了大层厚SLM-IN718的内部缺陷，使其接近全密度

引言

Inconel 718（IN718）合金是一种析出强化型镍基高温合金，具有优异的机械性能、抗氧化性和耐腐蚀性[1], [2], [3]。这些特性使其广泛应用于航空航天部件、海洋推进系统和能源设备。激光粉末床熔融（LPBF）工艺逐层构建零件，为几何形状复杂的零件提供了一条有前景的制造途径。在LPBF过程中，冷却速率可达10⁵-10⁷ K/s，在此条件下，合金通常形成细小组织并获得改善的力学性能[4], [5]。然而，LPBF中的层厚通常较小（30-50 μm），限制了成形效率[6]。为解决这一限制，大层厚技术引起了越来越多的研究兴趣[7], [8]。采用60 μm或更大的层厚，可以在不严重牺牲零件质量的情况下显著提高生产率。更高的激光功率和更大的光斑直径产生更深更宽的熔池，从而实现较厚粉层的完全熔合[9]。但更大的层厚使熔池的热流动行为更加复杂，并且显著缩小了工艺窗口[10]。未熔合（LOF）缺陷和气孔也变得更加普遍。这些缺陷特性严重限制了工艺优化，并削弱了零件的机械性能。

对于这些内部缺陷，热等静压（HIP）被认为是一种有效的致密化技术[11], [12]。HIP工艺利用惰性气体作为压力介质，在高温下施加各向同性的高压，通过塑性变形和扩散机制修复内部未熔合缺陷和气孔[13], [14]。Wang等人[15]报道了HIP和激光重熔可以通过缺陷修复和元素均匀化完全消除CM247LC的裂纹。Vilanova等人[16]证明HIP不能完全修复LPBF产生的宽度大于约6 μm的裂纹，表明在这些条件下裂纹闭合存在局限性。Zhou等人[17]开发了一个HIP工艺的孔隙闭合模型，预测了不同温度和压力下的修复时间。

为确保LPBF过程中形成的缺陷完全闭合，HIP必须在较高温度下进行。对于IN718合金，这种热暴露相当于一种高温热处理，不可避免地引起再结晶、晶粒长大并显著改变析出相的形态[18], [19]。HIP后，原始状态的柱状晶和胞状亚结构被再结晶等轴晶所取代。同时，Laves相溶解，将Nb释放到基体中。Rezaei等人[20]采用HIP + 标准热处理来减弱织构强度，并成功降低了LPBF IN718合金的各向异性。Yin等人[21]研究了HIP温度对IN718合金组织和性能的影响，发现升高温度消除了胞状结构和柱状晶，取而代之的是更粗的等轴晶。Zhang等人[22]报道了不同HIP后的热处理工艺路线显著影响了GH4099合金的拉伸性能。综上所述，这些发现表明HIP引发了深刻的组织变化，直接影响后续热处理和力学性能。

在LPBF IN718合金的HIP后热处理工艺路线方面，目前大多数研究采用为铸造IN718合金设计的标准热处理路线，即980 °C以上的固溶处理，随后进行双重时效（720 °C/8 h + 620 °C/8 h）[20], [21], [23], [24]。然而，值得注意的是，HIP相当于一种高温热处理，能够溶解Laves相并实现合金元素的均匀化。随后的固溶处理不仅可能导致进一步的晶粒长大，还会溶解晶界δ相，从而消除对晶界迁移的钉扎效应。Luo等人[24]比较了经固溶处理+时效（SA）和HIP+SA处理的LPBF IN718合金，发现HIP赋予了合金优异的耐磨和耐腐蚀性能。Georgilas等人[25]将HIP视为一种高温固溶处理，并评估了不同热处理后的力学性能，得出结论认为HIP+时效比无压固溶+时效产生更好的力学性能。值得注意的是，该研究中的HIP和固溶处理均采用了快速冷却。此外，Ling等人[26]证明在铸造IN718合金中，HIP后直接时效（HIP+DA）比HIP+SA获得更高的拉伸性能。显然，迄今为止的大多数研究都集中在将HIP工艺与常规热处理进行比较。然而，针对LPBF IN718合金的HIP后策略研究较少，特别是关于δ和γ″析出相的控制以及相关的高温变形机制。

在本研究中，采用大层厚LPBF工艺制备了IN718合金。研究了不同HIP后热处理路线对组织和高温拉伸性能的影响。分析了不同条件下相演变和高温变形的机制。本工作为优化LPBF IN718合金的HIP后热处理工艺提供了理论依据。

各节摘要

制备和热处理方法

LPBF的原材料为等离子旋转电极工艺生产的IN718粉末。为适应大层厚加工，选用中位粒径约53 μm的粉末。三组采用不同激光功率和扫描速度制备的试样进行了HIP处理。IN718合金试样使用Farsoon FS273M激光粉末床熔融系统制备。为研究HIP对缺陷修复的影响，工艺

热等静压后的微观组织

图2展示了IN718合金在原始状态和HIP状态下的相对密度。原始状态的试样相对密度范围为98.1%至99.3%。HIP处理后，所有试样的密度显著提高。当线能量密度高于0.39 J/mm²时，试样实现了接近全致密化，相对密度达到99.97%和99.94%。值得注意的是，线能量密度为0.35 J/mm²的试样在HIP后相对密度仅达到约99.64%，原因在于最低的

HIP和处理过程中的析出相演变

HIP工艺不仅消除了Laves相和枝晶结构，还诱导了高度的再结晶（图3）。同时，在晶界和晶内形成了大量析出相（图4）。静态再结晶通常由合金内部的应力驱动。在LPBF过程中，内部应力主要来自热循环。热影响区经历反复加热和冷却，每次热循环引入一个

结论

在本研究中，采用热等静压（HIP）消除了大层厚LPBF工艺制备的IN718合金的内部缺陷。研究了不同HIP后热处理路线对组织演变和力学性能的影响。主要结论如下：

• (1)
  HIP有效修复了内部缺陷，将相对密度提高至99.94%以上。微观组织由柱状晶转变为等轴晶，Laves相

作者贡献声明（CRediT）

苏杰：撰写—初稿，资源，方法论，调查。王彦：撰写—审阅与编辑，监督，方法论。刘峰：项目管理，经费获取。马鑫：监督，项目管理。黄岚：项目管理，经费获取。张毅：监督，资源。张德金：项目管理，经费获取。于永良：监督，方法论。谭黎明：撰写—审阅与编辑，资源，方法论

利益冲突声明

? 作者声明，他们不存在已知可能影响本文工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢中国航空发动机集团[项目编号：HFZL2022CXY029]、国家自然科学基金[52571057]、中国科协青年英才培育计划[2022QNRC001]、湖南省十大科技项目[项目编号：2024GK1080]、云南省贵金属实验室科技项目（项目编号：YPML-2023050213, YPML-20240502044）、云南省重大科技项目

苏杰|王彦|张毅|张德金|于永良|谭黎明|马鑫|黄岚|刘峰