通过增材制造中 Inconel 718 与不锈钢 316L 的可控粉末混配实现集成计算材料工程（ICME）赋能设计：在铌含量降低23%的条件下获得室温 Inconel 718 水平的拉伸性能

《Smart Materials in Manufacturing》：Achieving Inconel 718-level tensile properties at room temperature with 23% less niobium: ICME-enabled design via controlled powder blending of Inconel 718 and stainless steel 316L in additive manufacturing

　　

增材制造（AM）中混合商用合金粉末为成分探索提供了一条灵活路径，然而，针对此类混合体系定制后续热处理方案仍然具有挑战性。本研究开发了一种高效的、基于集成计算材料工程（ICME）的高通量模型框架，用于将时效制度筛选纳入一种由不锈钢 316L（SS316L）与 Inconel 718（IN718）构成的新型合金混配体系的后热处理设计之中。该框架的核心是一种修正的屈服强度模型，该模型能够在多步等温时效过程中，显式考虑 γ′′ 析出相的非球形形貌及其多峰尺寸分布。研究人员将该方法应用于 77 wt% IN718 与 23 wt% SS316L 的混配合金（77.IN718），之所以选择该成分，是因其在均匀化过程中具有潜在的晶粒细化能力。通过筛选 1944 组双级时效工艺，模拟确定了一种优化处理制度（725 °C/8 h + 600 °C/8 h），其预测屈服强度为 1070 MPa，与实验值高度一致。尽管与标准 Inconel 718 相比，该新合金中的铌（Nb）和钛（Ti）含量显著降低，77.IN718 仍在室温下获得了与传统制造块材 IN718 相当的性能，即 1055 MPa 屈服强度、1285 MPa 抗拉强度和 19.5% 伸长率。本研究证明了 ICME 赋能设计与实验验证的成功集成，为通过混配现有商用原料开发高性能合金提供了一条可持续且高效的途径。该方法学能够在降低对关键元素依赖的条件下实现合金开发，从而增强资源受限环境中的供应链韧性。

该论文发表于《Smart Materials in Manufacturing》，聚焦于增材制造（AM）条件下新型镍基稀释合金的成分设计与热处理优化问题。研究背景在于，高温合金尤其是 Inconel 718（IN718）广泛依赖铌（Nb）和钛（Ti）等关键战略元素，而相关元素的供应链波动与资源约束使得传统高性能合金体系面临成本和可持续性压力。已有研究表明，利用商用粉末在增材制造过程中进行可控混配，能够为合金成分创新提供快速而灵活的路径，并有望在降低关键元素用量的同时维持力学性能。然而，这类新型混配体系在打印后通常需要复杂的非单步热处理，尤其是多级时效过程，才能充分激活析出强化潜力。由于热处理参数空间随温度、时间和步骤数增加而呈指数扩张，单纯依赖传统“试错法”不仅效率低，而且实验代价高昂，因此亟需一种能够将成分设计、组织演化和性能预测贯通起来的计算—实验协同框架。

围绕这一问题，研究人员选择了 77 wt% IN718 + 23 wt% SS316L 的混合体系，即 77.IN718，目标是在名义上降低 23 wt.% 的 Nb 含量基础上，保留 γ 基体（gamma matrix）内较合理的成分平衡，并借助 SS316L 的引入调控组织演化。论文的核心贡献在于建立了一套基于集成计算材料工程（ICME）的高通量热处理设计框架，并通过实验校准与验证，使该框架能够用于激光粉末床熔融（LPBF）制备 77.IN718 的后热处理优化。研究最终证明，尽管该合金中 Nb、Ti 及部分其他关键元素含量显著低于常规 IN718，但通过合理的均匀化与双级时效设计，仍可获得与传统块材 IN718 相当、甚至在部分指标上更优的室温拉伸性能。这一结果对于降低关键元素依赖、提高供应链韧性以及发展面向先进制造的可持续高性能合金具有明确意义。

就主要技术方法而言，研究人员首先将球形 IN718 与 SS316L 商用粉末按 77:23 质量比混合，并采用 LPBF 成形；随后结合 Thermo-Calc 平台中的 Scheil 非平衡凝固模型、Step Diagram（相图阶梯图）和 TC-Prisma 析出动力学模拟，建立基于 Calphad（相图计算）的组织预测流程。实验上通过扫描电子显微镜（SEM）、能谱（EDS）、电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）表征粉末状态、晶粒演化及 γ′′ 析出行为，并利用室温拉伸试验对屈服强度模型进行校准和验证。样品来源均为研究人员自行混粉并经 LPBF 制备的 77.IN718 试样。

在研究结果部分，论文按照多个小节系统展示了从粉末混配、均匀化、析出演化到力学性能验证的完整证据链。

在“4.1 Temporal effects on powder mixing quality”部分，研究人员首先讨论混粉时间对粉末质量的影响。结果表明，5 h 与 10 h 混粉在元素分布上均可获得较均匀的 SS316L/IN718 混合效果，但激光粒度分析显示，5 h 混粉曲线更接近理论混配分布，而 10 h 混粉则出现明显偏离，主要原因在于长时间混粉导致颗粒冷焊（cold welding），形成 100–300 μm 的粗大颗粒。SEM 观察进一步证实，10 h 混粉样品中存在明显冷焊颗粒，而 5 h 条件下此现象不显著。基于此，研究人员确定 5 h 为较优混粉时间，因为它能够较好保持粉末球形度、堆积密度和流动性，从而降低打印缺陷风险。

在“4.2 Microstructure evolution during homogenization”部分，研究人员考察了均匀化过程中的组织演化。热力学 Step Diagram 结果显示，在抑制 δ 相的条件下，除金属碳化物 MC 外，970–1280 °C 范围内无其他稳定第二相，提示该温区有利于溶解打印过程中形成的大多数有害次生相。Scheil 非平衡凝固模拟则表明，LPBF 成形态样品中主要次生相为 MC 碳化物和 Laves 相。结合文献与实验基础，研究人员选定 1180 °C 作为均匀化温度，并比较不同保温时间。SEM 背散射图像显示，成形态样品晶内及晶界存在较多次生相，且晶界处次生相更连续、更粗大；20 min 与 1 h 均匀化后，晶界附近仍可见未完全溶解相与偏析，说明时间不足；2 h 时晶界次生相溶解基本完成，仅保留高温稳定的碳化物；4 h 时碳化物进一步粗化。EBSD 结果显示，成形态样品虽然晶粒最细，但沿构建方向拉长明显，且晶内取向偏差（GOS）较高，反映出较大残余应力。均匀化初期伴随再结晶，晶粒转为等轴并出现细化；2 h 条件下实现明显晶粒细化与组织均匀化，此后 4 h 和 8 h 主要表现为进一步晶粒长大。因此，1180 °C/2 h 被认为在次生相溶解与晶粒控制之间取得了较佳平衡，为后续析出强化提供了稳定基体。

在“4.3 Aging treatment impact on formation of strengthening particles”部分，研究人员分析了时效处理对强化相形成的影响。热力学计算表明，77.IN718 保留了与常规 IN718 相似的双强化相特征，即 L1₂ 结构 γ′ 球状析出物和 D0₂₂ 结构 γ′′ 盘状析出物，但由于 SS316L 的稀释作用，两类次生相的固溶线温度均降低，平衡体积分数和析出驱动力也相应下降，且 γ′ 相受稀释影响更显著。进一步的化学驱动力分析显示，随着温度降低，γ′ 与 γ′′ 的析出驱动力均单调增加，但析出动力学仍受热力学驱动力与长程扩散之间竞争关系控制：低温有利于高形核密度和更高平衡体积分数，却限制长大；高温促进粗大析出物形成，但相分数较低。由此得出，77.IN718 的峰值析出强化依赖于温度—时间参数对析出物尺寸分布与颗粒间距的协同调控。

在“4.4 Calibration of interfacial energy and morphological evolution”部分，研究人员通过 TEM 对 600、650 和 700 °C、12、24、48 h 共 9 种单级时效条件进行表征，并据此反向校准 γ/γ′′ 界面能。选区电子衍射（SAED）表明，[001]_γ 晶带轴下可识别出归属于 D0₂₂ 结构 γ′′ 的特征超晶格反射，而未观察到明确属于 γ′ 的独立衍射证据，结合计算所得较低 γ′ 体积分数，研究人员认为 γ′′ 是 77.IN718 的主要强化相。TEM 还表明 γ′′ 呈典型盘状，长宽比约为 1.4–2.2，并随时效时间变化。基于实验拟合，研究人员在 TC-Prisma 模块中确定 γ/γ′′ 的最佳拟合界面能参数为 0.01 J/m²。论文明确指出，这一数值是用于再现实验析出尺寸演化的数值拟合参数，而非真实热力学界面能。经过校准后的模型能够较好重现不同温度下 γ′′ 尺寸与体积分数的演化趋势。

在“4.5 Calibration of yield strength model using single-step aged samples”部分，研究人员将析出动力学输出与屈服强度模型耦合，对单级时效样品进行屈服强度预测，并用 700 °C 下不同时效时间的实验数据校准模型中的叠加指数 k。结果显示，当 k=1.1 时，实验与模拟之间的相对误差最小，所有单级时效条件下的偏差均低于 4%。分项强化分析表明，模型能够合理分解并重现实验中本征强度、晶界强化、固溶强化和析出强化的综合贡献。论文同时指出，当高温长时效导致亚稳 γ′′ 向稳定 δ 相转变时，模拟因未显式考虑 γ′′→δ 转变而可能偏离实验，因此模型适用性受到一定时间—温度范围限制。

在“4.6 High-throughput exploration of dual-step aging treatments”部分，研究人员开展了 1944 组双级时效高通量筛选。模拟结果表明，第一阶段时效主要决定初始析出物尺度；若第一阶段仍处于欠时效状态，则第二阶段较低温度（600–650 °C）可通过促进已有 γ′′ 继续长大并诱发新的二次形核来进一步提升强度；反之，若第一阶段已接近峰时效，则较高的第二阶段温度会加快粗化并导致过时效。以 ASTM 单体 IN718 屈服强度标准 1035 MPa 为筛选基准，多组 77.IN718 双级时效制度可满足目标。计算全局最大值出现在 725 °C/12 h + 600 °C/36 h，对应 1075 MPa；但综合工业节拍与能耗后，研究人员提出 725 °C/8 h + 600 °C/8 h 作为更优工艺，其预测屈服强度为 1070 MPa，在总时长显著缩短的同时仍可达到 99.5% 的峰值理论强度。

在“4.7 ICME model validation and strengthening mechanism deconvolution”部分，研究人员通过 7 组时效制度的单轴拉伸结果验证 ICME 框架的预测能力，其中包括 5 组单级时效校准样品和 2 组双级时效验证样品。实验屈服强度与模型预测值之间的线性回归斜率为 1.0024，R²=0.9437，说明模型在强度绝对值和变化趋势上均具有较高一致性。均方根误差（RMSE）在校准集和验证集上分别为 23.99 MPa 和 21.80 MPa，进一步支持模型的稳健性。强化机制分解显示，与单级时效相比，优化双级时效显著提高了析出强化项 σ_ppt，这是屈服强度提升的主要来源；同时，随着更多 Nb、Ti 等溶质进入 γ′′ 析出物，基体固溶强化项 σ_ss 略有下降。该结果说明模型能够同时捕捉基体成分耗竭与析出形貌演变的竞争关系。

在“4.8 Comparative mechanical test analysis”部分，研究人员将优化时效后的 77.IN718 与常规 IN718 的力学性能进行比较。结果显示，成形态和单级时效状态均未达到 ASTM 标准屈服强度要求，而采用 725 °C/8 h + 600 °C/8 h 双级时效后，77.IN718 的屈服强度达到 1055 MPa，抗拉强度达到 1285 MPa，均超过传统 IN718 的标准要求；更重要的是，其伸长率达到 19.5%，较 ASTM 12% 标准高出 62.5%。在此基础上，论文指出，该性能是在 Nb 和 Ti 均降低约 23% 的条件下实现的，证明通过 SS316L 稀释和析出调控，能够获得优异的强塑性协同。研究人员同时强调，本研究结论限于实验室尺度与室温拉伸场景，对于大规模生产适应性、不同打印方向的力学各向异性以及高温拉伸、蠕变和疲劳性能，仍需进一步研究。

讨论部分表明，本研究的价值不仅在于获得一种具体可行的新型 77.IN718 热处理制度，更在于建立了一个能够服务于新成分 AM 合金开发的 ICME 设计范式。该框架通过将 Calphad 热力学/动力学模拟、非球形 γ′′ 析出强化建模、多峰粒径分布处理以及实验校准整合起来，有效压缩了传统热处理优化所需的实验空间。论文还揭示，对于此类由现有商用原料混配形成的稀释镍基合金，仅靠沿用标准 IN718 热处理并不足以释放其潜力，必须依据稀释后析出相固溶线、驱动力和长大动力学的变化重新设计工艺窗口。研究结果说明，在适当均匀化和双级时效条件下，降低关键元素含量并不必然牺牲室温拉伸性能，这为资源受限背景下的高性能合金开发提供了坚实依据。

研究结论部分可翻译概括如下：研究人员关于 LPBF 制备 77.IN718 合金的 ICME 引导设计与优化得到以下主要结论。其一，LPBF 成形后经 1180 °C 均匀化处理可实现显著晶粒细化并形成等轴晶组织，该细化结构为后续析出强化提供了稳定基体。其二，研究成功建立了一个集成屈服强度模型，该模型纳入了盘状 γ′′ 的形貌演化及连续多峰析出粒径分布；基于 Calphad 的高通量 ICME 模拟表现出优异预测精度，实验偏差控制在 5% 以内，从而显著降低了 AM 合金热处理优化所需的实验工作量。其三，研究识别出 725 °C/8 h + 600 °C/8 h 的双级时效制度，该制度能够在 γ′′ 长大与 δ 相热力学转变起始之间实现策略性平衡，从而在保证动力学效率的同时实现强化最大化。其四，优化后的 77.IN718 在室温拉伸试验中展现出优异的强塑性协同，屈服强度达到 1055 MPa、伸长率达到 19.5%；值得注意的是，即便 Nb 和 Ti 等关键合金元素降低约 23%，其室温性能仍超过传统 IN718 的 ASTM 标准。整体而言，该研究验证了 ICME 方法学在开发低关键元素依赖、低成本且高性能先进制造合金方面的潜力。