HVAF沉积IN718的热稳定性与高温氧化：沉积颗粒影响的微观组织效应

《Applied Surface Science》：Thermal stability and high-temperature oxidation of HVAF-deposited IN718: Splat-influenced microstructural effects

　　

• •
  HVAF沉积的IN718具有基于飞沫的非平衡微观结构。
• •
  飞沫异质性和小角度晶界（LAGBs）增强了热稳定性并降低了膨胀。
• •
  在700 °C下形成超薄的保护性富铬(Cr,Fe)₂O₃氧化层。
• •
  富含缺陷的微观结构促进了快速的铬扩散路径。
• •
  飞沫诱导的异质性导致氧化层成分变化。

引言

在多种热喷涂技术中，高速空气燃料（HVAF）喷涂作为一种生产致密、高质量且氧化程度极低的沉积物方法已崭露头角。与其他热喷涂技术（如高速氧燃料（HVOF）或等离子喷涂）[1], [2], [3], [4]相比，HVAF的特点是火焰温度相对较低且颗粒速度极高。HVAF的高动能和低热输入通常只有在冷喷涂工艺中才能实现，这最大限度地减少了粉末原料在飞行过程中的氧化几率，并降低了对材料的热效应，从而提供接近固态的沉积，保留了原料的微观结构[5], [6], [7], [8]。燃烧的油气混合物通过德·拉瓦尔喷嘴加速，从而使气雾化原料粉末加速至超声速。在穿过火焰时，球形粉末颗粒经历不同程度的加热，边缘加热较多，核心加热较少，并取决于其在火焰中的尺寸和轨迹而软化，从火焰中心的高温到边缘的低温和少数颗粒在有利条件下与基材撞击时甚至可能经历高温变形[9], [10]。高速撞击导致粉末颗粒发生剧烈塑性变形（SPD），因此可以在沉积物中诱导非平衡微观结构，进而产生孔隙率极低且附着力高的沉积物[1], [3], [10], [11], [12]。尽管HVAF最初是作为涂层技术开发的，但近年来它作为固态增材制造（AM）途径备受关注，其能够生产厚沉积物和修复工业部件。

高温合金等高性能材料，如茵科镍718（IN718），因卓越的抗蠕变、抗氧化/腐蚀性能，安全操作范围可达700 ^oC [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19]，被广泛应用于航空航天、发电和化工行业等苛刻应用中。IN718的高温性能包括热稳定性、热膨胀和抗氧化性，对于维持高温应用中部件的合规性和结构完整性至关重要，例如涉及双金属层和短期热暴露的火箭推力室外壳。通常采用后处理工艺来获得所需的微观结构，以实现如此优异的性能。IN718高温合金与先进的HVAF工艺相结合，形成了一种有趣且协同效应的组合，因为它甚至可以绕过传统的多材料连接工艺，并能实现高产率。了解HVAF工艺诱导的微观结构及其对部件性能的影响结果，对于延长高温部件的使用寿命和可靠性至关重要。

虽然已有许多研究[18], [19], [20], [21], [22], [23], [24]讨论了传统和基于激光的增材制造IN718的氧化行为，但仍需探讨由HVAF工艺产生的固有形变严重的非平衡沉积微观结构在高温暴露下的表现。具体而言，研究由飞沫界面、胞状晶界和残留凝固特征（伴随化学异质性）构成的HVAF沉积物的热稳定性和短期氧化行为将非常有意义。预计这些缺陷将决定沉积物的热稳定性和保护性氧化层的形成能力。迄今为止，对HVAF沉积IN718的研究主要集中在耐磨性和机械强度上[7], [14], [25], [26]，而关注微观结构驱动的高温行为的研究寥寥无几。我们此前发表的工作[27]证明了HVAF沉积IN718在修复磨损的工业部件方面的应用潜力，重点研究了硬度和弯曲强度等机械性能。考虑到HVAF工艺在构建厚、独立沉积物方面的诱人替代方案，以及现有文献中关于其高温行为的空白，迫切需要研究HVAF沉积IN718的特殊微观结构对氧化、相演变和热稳定性的影响。

本研究的目的是使用原位高温X射线衍射（HTXRD，高达1100 ^oC）评估HVAF沉积的IN718厚构件的相演变、热稳定性和热膨胀。重点研究其在空气中700 ^oC下的短期氧化行为，并使用HTXRD和透射电子显微镜（TEM）进行分析。详细检查了氧化层的形成及相关次表层析出相。将氧化特征和热响应与电子背散射衍射（EBSD）和三维原子探针断层扫描（3D-APT）表征的微观结构特征进行关联。这种多尺度表征方法能够从机理上理解沉积物与其工艺驱动微观结构相关的高温行为。

章节摘要

材料与方法

本工作使用了粒径范围为15–45 μm的气雾化茵科镍718粉末（INDO-MIM，印度）。其标称成分（重量百分比）见表1。图1a-c展示了原料的场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）图像，描绘了气雾化过程中形成的球面形貌和树枝状亚结构。使用高速空气燃料喷涂设备（C7喷枪）

沉积态IN718的形貌

HVAF沉积态IN718表面和截面的FE-SEM微观照片分别如图2d-f和图2g-i所示。HVAF沉积的IN718显示出典型的基于飞沫的结构，没有明显的颗粒熔化迹象。表面和截面的FE-SEM图像显示，球形原料粉末颗粒经历了显著变形，形成了层状沉积物结构。压扁的飞沫保留了气雾化原料原有的树枝状亚结构。

结论

采用原位HTXRD、EBSD、3D-APT和TEM研究了通过HVAF喷涂沉积的高温合金茵科镍718的高温热稳定性（真空中高达1100 ℃）和短期氧化行为（空气中700 ℃）。主要发现总结如下：

• 1.
  HVAF沉积生产出了致密的IN718厚构件，具有基于飞沫的架构，保留了粉末衍生的树枝状特征和高度变形的胞状亚结构，微观结构中富含小角度晶界和储存应变。

资金来源

本研究未获得公共、商业或非营利部门基金会的任何特定资助。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢中央研究设施（CRF, NITK）和印度教育部（MoE）提供表征设施以开展研究工作。作者还感谢班加罗尔印度科学理工学院高级材料与制造中心（AFMM, IISc Bangalore）的原子探针设施、孟买印度理工学院（IIT Bombay）的聚焦离子束（FIB, SAIF）和孟买印度理工学院（IIT Bombay）的透射电子显微镜（TEM）设施为高端表征提供的支持。

V. Abhijith Vijay|M.P. Sreerag|C. Sundaresan|D Kalyan|Surendra Kumar Makineni|B. Rajasekaran