采用埋弧定向能量沉积（SA-DED）技术制备的Inconel 718沉积层的开发、表征及其腐蚀行为

《Journal of the Indian Chemical Society》：Development, Characterization, and Corrosion Behavior of Inconel 718 Deposits Produced by Submerged Arc Directed Energy Deposition (SA-DED)

　　马亨德拉·辛格 | 阿贾伊·比斯瓦斯
印度特里普拉邦阿加尔塔拉国立技术学院机械工程系，邮编799046

**摘要**
埋弧定向能量沉积（SA-DED）是一种新兴的基于电弧的增材制造技术，通过熔剂保护的热环境实现了高沉积速率和工艺稳定性的提升。然而，其在镍基超合金（尤其是Inconel 718 (IN718)）中的应用仍大多未被探索。本研究使用3.2毫米的线材成功制备了IN718，并对工艺-微观结构-腐蚀关系进行了全面研究。

沉积后的微观结构特征为沿建造方向排列的粗大柱状树枝晶、强烈的<001>纤维纹理以及明显的元素偏析，这些通过EBSD和SEM-EDS分析得到了证实。枝晶间的Nb和Mo富集导致了Laves相、δ相沉淀物和MC型碳化物的形成，从而引起了微观结构的异质性并增加了局部腐蚀的敏感性。在3.5 wt.% NaCl溶液中的电化学表征显示，沉积态材料具有相对较高的腐蚀电流密度和较低的极化电阻，表明其耐腐蚀性能较差。

沉积后的热处理有效均匀化了微观结构，通过溶解Laves相、减少成分梯度并促进强化γ′/γ″相的沉淀。结果，腐蚀电流密度降低了大约一个数量级，而极化电阻显著提高，表明钝化膜稳定性增强，电化学性能得到改善。这些发现明确了SA-DED IN718中工艺条件、微观结构演变与腐蚀行为之间的明确关联。本研究首次系统地探讨了使用大直径线材进行熔剂辅助电弧增材制造IN718的方法，并强调了后处理在实现理想材料性能中的关键作用，从而推动了SA-DED在镍基超合金工业应用中的潜力。

**引言**
Inconel 718作为一种镍基超合金，凭借其优异的高温强度、出色的抗蠕变性和耐腐蚀性以及在航空航天、能源和海洋等领域的广泛应用而成为不可或缺的材料。其广泛应用源于其复杂的微观结构发展，这种结构特征包括γ基体中的γ′和γ″相沉淀，以及铬、钼和铌等元素的固溶强化作用[2]。然而，尽管具有这些优点，由于其较差的加工性能、较高的材料浪费和生产成本，制造IN718部件仍面临诸多挑战[3]。因此，人们越来越多地探索增材制造技术作为生产IN718零件的可行替代方案[4][5]。诸如粉末床熔融和定向能量沉积等增材制造方法能够实现接近净形的制造，从而克服传统制造方法在复杂几何形状和内部冷却结构方面的难题[6]。这对于需要复杂设计的应用（如喷气发动机和燃气轮机）尤为重要，因为传统减材制造方法难以应对这种材料的高强度和低导热性，导致工具磨损严重和加工时间延长。增材制造为解决这些制造难题提供了新的途径，同时实现了具有优化结构和功能特性的先进IN718部件的制造[7][8][9][10]。

在各种增材制造工艺中，激光粉末床熔融因能够生产出微观结构精细的高复杂度零件而受到广泛关注，尽管其沉积速率低于基于电弧的方法[11][12]。相比之下，基于电弧的定向能量沉积技术（包括等离子弧焊和气体金属弧焊）具有更高的沉积速率和材料利用率，特别适用于大型部件的生产和修复应用[13]。

Inconel 718因其出色的高温强度、抗蠕变性和耐腐蚀性（最高可达650–700°C）而在航空航天、能源和海洋领域得到广泛应用[14][15]。其优异的性能主要源于γ基体中的γ′ (Ni3(Al,Ti))和γ″ (Ni3Nb)相的沉淀强化，以及铬、钼和铌等元素的固溶强化[16][17]。因此，沉积后的微观结构通常由沿建造方向排列的粗大柱状树枝晶组成，表现出强烈的?001?纤维纹理。枝晶间区域富集Nb和Mo，形成了脆性的Laves相和δ-Ni3Nb沉淀物。这些微观特征导致了各向异性、延展性降低、对热处理的响应性减弱以及耐腐蚀性能不如锻造IN718。

埋弧定向能量沉积（SA-DED）是一种新兴的基于电弧的增材制造方法，该方法使用颗粒状熔剂层完全包裹电弧和熔池。这种熔剂介导的环境稳定了电弧，减少了大气污染，并通过作为热绝缘体来调节热传递，从而实现了高沉积速率和工艺稳定性的提升，同时保持了与传统基于电弧的DED相似的热冶金特性。然而，熔剂诱导的热环境也加剧了关键问题，包括熔池停留时间延长、热量积聚增强以及微观偏析加剧。这些效应可能导致珠状几何形状不稳定、多珠重叠处的裂纹倾向、气体孔隙的形成以及枝晶间区域连续Laves相网络的形成。

沉积态SA-DED IN718的微观结构呈现出不均匀性，主要由来自基底的外延柱状树枝晶生长主导。在高热梯度下的快速凝固结合循环再加热导致成分分区，其中Nb富集区和Mo富集区在枝晶间区域积累，而γ基体相对贫乏。此外，构建后的微观结构中强化γ′和γ″相的沉淀较少。这些微观异质性对腐蚀行为起着关键作用：Laves相和Nb富集区成为优先的阳极部位，破坏了稳定Cr富集钝化膜的形成，促进了局部腐蚀。这导致钝化膜不稳定、坑蚀发生以及形成多孔和不均匀的氧化层，尤其是在含氯或海洋环境中。随着时间的推移，这种局部腐蚀可能发展为坑蚀向裂纹的转变，影响结构完整性。

为了缓解这些限制，沉积后的后处理至关重要。均匀化处理有助于溶解Laves相并减少成分梯度，从而恢复γ基体中的Nb含量[6]。随后的溶液处理和时效处理促进了γ′和γ″相的沉淀，增强了强度和耐腐蚀性[9][24]。先进的后处理方法（如热等静压HIP）通过消除孔隙、细化微观结构和提高均匀性进一步改善了材料性能[1]。此外，工艺层面的策略（如层间冷却、振荡沉积路径、优化热输入和机械变形技术（如原位锻造）也显示出在细化晶粒结构和减少偏析方面的潜力，从而提升了整体性能[22][25]。

尽管在基于电弧的IN718 DED方面取得了显著进展，但针对SA-DED的直接研究仍然有限。SA-DED中独特的熔剂介导热环境引入了额外的复杂性，尤其是在热传递、凝固行为和微观结构演变方面[26]。SA-DED的高热质量和沉积速率预计会加剧偏析、纹理形成和缺陷形成，因此需要更深入地理解工艺-结构-腐蚀关系[26]。

将20 nm和200 nm ZrO2（1–2 wt%）添加到Inconel 718粉末中，并在不同的能量密度下进行DED沉积，随后通过EBSD、OM和TEM分析评估微观结构和孔隙率。在DED处理的Inconel 718中添加200 nm氧化锆（2 wt%）显著细化了晶粒（从约105.6 μm降至约68.6 μm），并通过异质形核促进了从柱状到等轴状的转变，并增加了HAGB比例[14]。使用不同激光功率（600–1400 W）的LDED制备了FGMs，随后通过SEM/EDS、孔隙率分析、显微硬度测试和电化学腐蚀测试以及FEM–CFD模拟研究了缺陷-性能关系。激光功率显著影响SS316L/IN718 FGMs中的缺陷演变——中等功率（约1000–1200 W）可减少孔隙率和偏析，同时提高硬度（约204 HV），而低功率会导致熔合不足；高功率则会引起裂纹和晶粒粗化[15]。

通过基于电弧的DED制备了IN718样品，并进行了热处理，随后通过EBSD/SEM/SXRD表征、显微硬度测试和650°C拉伸测试评估了微观结构-性能关系。原位层间热锻造将粗大的柱状晶粒细化为细小、近乎等轴的微观结构，提高了IN718 DED在高温下的强度[16]。使用吹粉DED制备了IN718/TiB2复合材料，通过不同的能量密度和粉末参数进行沉积，随后通过SEM/EBSD/XRD、硬度测试和拉伸测试研究了微观结构与性能之间的关系。在DED IN718中添加TiB2细化剂可显著细化晶粒、减少Laves相并显著提高强度（约300–500 MPa），但降低了延展性[17]。

通过不同的层间停留时间（0、1、3分钟）制备了LDED样品，并通过模拟、SEM/EBSD和拉伸测试研究了热历史与微观结构和性能之间的关系。增加层间冷却时间可细化晶粒、减少Laves相、弱化纹理并提高LDED Inconel 718的拉伸强度（约10–12%），同时改善了延展性[18]。通过平行沉积与振荡沉积结合控制冷却的方法制备了IN718壁，并在热处理前后进行了SEM/EBSD、缺陷定量和拉伸测试。一种新颖的振荡+强制层间冷却策略在WAAM Inconel 718中显著减少了缺陷（孔隙率约77%），细化了微观结构并同时提高了强度和延展性[19]。通过PAAM方法制备的IN718样品（ASP、HOM、HSA）通过SEM/EBSD/XRD、显微硬度测试和电化学测试（3.5% NaCl中的Tafel + EIS）进行了分析。热处理（特别是HSA）消除了Laves相，细化/重结晶了微观结构，并显著提高了PAAM Inconel 718的耐腐蚀性和硬度[20]。

通过LPBF方法制备了IN718样品，并进行了热处理，随后通过EBSD/SEM/SXRD、显微硬度和3.5% NaCl中的电化学测试进行了表征。Re添加和热处理（特别是1020°C）细化了微观结构、溶解了Laves相，并显著提高了LPBF Inconel 718的强度和延展性[21]。通过LDED制备的IN718样品经过HSA处理后，通过SEM/EBSD/TEM/XRD和机械测试进行了分析。直接时效热处理产生了最高的强度，这归因于γ′′/γ′共沉淀；均匀化处理则细化了晶粒但降低了屈服强度和延展性[22]。通过LPBF制备的GH4061样品经过HIP、溶液处理和双重时效处理后，进行了XCT、SEM/EBSD和拉伸测试。热等静压（HIP）消除了孔隙（密度约100%），形成了稳定的γ′/γ″立方体共沉淀物，显著提高了强度和延展性[23]。通过LDED制备的IN718样品经过激光材料去除和抛光后，通过SEM/EBSD、XRD和电化学测试进行了分析。激光增材-减材混合工艺细化了微观结构，减少了Laves相尺寸，并显著提高了耐腐蚀性（Icorr从1.52×10-3降至3.43×10-5 A/cm2）[24]。基于DOE的激光金属沉积研究改变了激光功率、速度、粉末送进速率、保护气体和重叠量，通过横截面图像分析和统计建模量化了孔隙率。气体孔隙和熔合不足源于不同机制；气体孔隙主要由保护气体捕获和Marangoni驱动的熔体流动引起，不能仅用粉末孔隙来解释[25]。通过均匀化和溶液时效处理对PAAM制备的样品进行了系统分析，通过OM/SEM/EBSD、硬度测试和电化学测试（3.5% NaCl中的Tafel + EIS）进行了评估。热处理显著改善了PAAM Inconel 718的性能，消除了Laves相，细化了晶粒，并在HSA条件下实现了最高的耐腐蚀性[26]。

已经探索了GMAW、CMT、TIG和PAW等基于电弧的增材制造方法，这些方法具有高沉积速率、低成本和材料利用率。然而，这些过程普遍存在热诱导的微观结构不均匀性、脆性Laves相的形成、粗大柱状树枝晶以及各向异性的机械性能等问题，这些问题都会降低部件性能。尽管有许多研究探讨了CMT-WAAM及相关电弧工艺中的这些问题（提供了关于Laves相尺寸、δ相沉淀动力学和热循环影响的见解），但目前尚未有研究使用基于埋弧的增材制造方法研究IN718，尽管该方法在热效率、稳定性和可扩展性方面具有工业优势。此外，现有研究主要使用1.2毫米的线材，而3.2毫米厚IN718线材在高热输入下的埋弧沉积行为仍完全未知。关于熔池行为、偏析和相演变、微观结构各向异性以及在埋弧热条件下的腐蚀响应等方面仍存在关键空白，尤其是考虑到其与其他WAAM工艺截然不同的热分布。因此，这项研究通过表征使用3.2毫米焊丝进行埋弧增材制造（SA-DED）沉积的IN718合金的工艺-微观结构-性能关系，填补了一个重要且尚未探索的领域，目前尚缺乏系统性的数据。SA-DED中的熔剂层起到隔热作用，减少了对流热损失，从而延长了熔池寿命并增强了热积累。这导致Nb和Mo在凝固过程中的微观偏析加剧，促进了枝晶间Laves相和δ相沉淀的形成。因此，熔剂介导的环境在控制IN718的相演变和微观结构异质性方面起着关键作用。

**实验方法**
使用了直径为3.2毫米的商用Inconel 718填充焊丝作为主要原料。该合金以Ni为基础元素，Cr、Fe、Nb、Mo、Ti和Al为主要合金元素，负责固溶强化和沉淀强化。沉积选用了100 × 100 × 25毫米的低碳钢基底。在沉积IN718之前，首先使用低碳钢焊丝在相同的工艺条件下进行了初步试验，以确定工艺稳定性并优化相关参数。

**低碳钢沉积物的初步微观结构分析**
在沉积Inconel 718之前，对SA-DED制造的低碳钢样品进行了微观结构分析，以评估工艺稳定性和热行为。沉积结构的光学显微照片显示主要为等轴晶粒形态，由铁素体和珠光体相组成。铁素体相呈现为亮区，而珠光体团簇则表现为沿晶界和晶内分布的暗色区域。

**结论**
本研究首次全面探讨了使用3.2毫米焊丝通过埋弧定向能量沉积（SA-DED）制造的Inconel 718合金。沉积后的微观结构特征包括粗大的柱状枝晶、强烈的<001>织构以及显著的Nb/Mo偏析，这些因素导致了Laves相的形成。这些特征使得微观结构具有明显的异质性，并降低了耐腐蚀性。沉积后的热处理有效改善了材料的微观均匀性。

**作者贡献声明**
Ajay Biswas：撰写、审稿与编辑、监督
Mahendra Singh：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、监督、方法论设计、实验研究、数据分析、概念化

**数据可用性声明**
本研究生成或分析的所有数据均包含在本文（及其补充信息）中。

**手稿准备过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明**
在准备本工作时，作者使用了ChatGPT-5（OpenAI）进行数据整理。使用该工具/服务后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对发表文章的内容负全责。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

**致谢**
本研究未获得公共部门、商业机构或非营利组织的任何特定资助。