基于激光定向能量沉积技术在不锈钢上沉积的γ′强化镍基高温合金中稀释引起的化学成分和硬度梯度

《Intermetallics》：Dilution-induced chemical and hardness gradients in a γ′-strengthened Ni-based superalloy deposited on stainless steel by laser-based directed energy deposition

　　

基于激光的定向能量沉积（DED-LB）为在钢基体上局部沉积高性能镍基合金以制造钢/镍基合金双金属提供了一种灵活的途径。然而，基体稀释对沉积层高程依赖性化学组成、析出相不均匀性和硬度梯度的影响仍然不清楚。本研究通过DED-LB在304不锈钢上制备了IN738高温合金薄壁沉积物，并研究了原位沉积态和时效态下由稀释引起的化学、微观组织和硬度梯度。基体稀释在沉积物中产生了构建高程依赖的化学梯度，从基体/沉积层（BM/DL）界面到顶部区域，Fe逐渐降低，而Ni、Al和Ti增加。提出了一种稀释辅助凝固模型来解释界面附近交替出现的富Fe和富Ni带状结构。密集位错集中在BM/DL界面附近，这与DED-LB过程中产生的高热应力和残余应力密切相关。稀释引起的化学不均匀性进一步促进了时效处理后空间不均匀的γ′析出，即界面附近的富Fe区域保持无γ′，而较高构建高程处稀释效应的减弱促进了从双峰γ′分布向单峰粗大γ′分布的转变。因此，时效后样品的最大显微硬度约为497 HV0.2，比原位沉积态样品高出约47%。定量强化分析表明，硬度梯度来源于固溶强化、位错强化、晶粒细化和γ′析出强化的共同贡献，其中时效后以γ′析出强化为主。这些结果建立了基体稀释、γ′析出不均匀性与钢/镍基合金双金属沉积物力学性能演变之间的机制联系。

钢/镍基合金双金属结构越来越多地用于需要在空间上集成承载能力、耐腐蚀性和高温稳定性的工程部件中[1]。在这类结构中，钢材提供了低成本、良好的可加工性和高结构强度，而镍基合金则提供了优异的抗氧化、耐腐蚀、抗蠕变和热降解性能。这种组合对于在化学侵蚀性环境或苛刻热环境中的部件尤为吸引人，包括压力容器、能源和动力系统、核组件、热端部件以及油气管道的耐腐蚀内衬[2,3,4]。在这些应用中，在钢基体上局部引入镍基合金使得关键表面或连接区域能够承受恶劣服役条件，而无需用昂贵的超合金替换整个钢部件[5]。然而，钢和镍基合金在化学成分、熔化范围、凝固行为和析出响应方面存在显著差异[6]。因此，控制钢/镍基合金异质区域间的成分过渡、微观组织演变和局部力学响应对于此类混合结构的可靠制造和服役性能至关重要。

基于激光的定向能量沉积（DED-LB）由于其热源集中、材料利用率高以及与铸造或锻造基体的兼容性，为局部修复、表面沉积和近净成形制造提供了一种灵活的途径[7,8]。在DED-LB过程中，移动激光束在基体或先前沉积的层上产生瞬态熔池，金属粉末被送入其中并快速凝固形成逐层沉积物。由于该过程涉及基体重熔、熔池对流、粉末熔化、溶质混合和快速凝固[9,10]，初始沉积层的化学成分不仅由送粉粉末决定。相反，它受到基体稀释和层间重熔的强烈影响[11,12]。这种稀释不仅控制着基体与沉积层之间的冶金结合，还控制着近界面区域和后续沉积层中的元素分布、相组成和局部力学性能[13,14]。因此，理解基体衍生元素向沉积物中的输运和混合对于建立DED-LB制造双金属的工艺-成分-微观组织-性能关系至关重要。

目前关于增材制造或激光堆焊钢/镍基高温合金体系的研究主要集中于固溶强化合金，如IN625和Hastelloy X，或γ′分数相对较低的析出强化合金，如IN718。Lu等人[15]在H13钢上沉积了镍基高温合金层，结果表明微观组织和显微硬度从沉积层到过渡区、热影响区和基体呈连续变化。Fang等人[16]使用IN625对EA4T钢进行激光堆焊修复，观察到堆焊/基体区域Ni、Cr和Fe的互扩散，并伴随冶金结合。Fan等人[17]研究了316L/Hastelloy X双金属，结果表明快速凝固减少了元素偏析和碳化物形成，而界面混合宽度强烈依赖于施加的激光能量密度。Li等人[18]进一步证明，304L/IN718双金属中晶界形貌和Laves相分布对热梯度与凝固速率之比敏感。Fu等人[19]研究了GH4169/铸铁双金属，揭示了Fe、Ni和C的混合与扩散影响扩散区宽度、界面相组成和结合强度。这些研究表明，元素混合、扩散区形成、凝固偏析和局部硬度变化是钢/镍基高温合金双金属结构的关键特征。

与固溶强化的IN625型合金和γ″强化的IN718型合金相比，γ′-Ni3(Al,Ti)强化的镍基高温合金含有更高水平的γ′形成元素，如Al和Ti，时效后能形成高体积分数的γ′析出相[20]。这种析出响应为其在更苛刻的高温承载应用中提供了主要的强化基础。对于激光沉积的SS316L/Rene88DT双金属，已在不锈钢/超合金过渡区域观察到γ′析出相，它们强烈影响局部微观组织和性能[21]。类似地，一项关于Inconel 713/钢双金属接头的激光焊接研究表明，热输入可以改变枝晶形貌、元素偏析和焊缝区域硬度；特别是Nb、Mo和Ti在枝晶间的分配改变了局部微观组织稳定性[22]。这些结果表明，当γ′强化的镍基高温合金沉积在钢基体上时，基体稀释不仅可能改变γ基体的成分，还可能改变γ′形成元素的有效浓度和后续时效响应。然而，构建高程依赖的基体稀释和枝晶偏析在后续时效过程中对γ′析出的联合作用尚未完全理解。特别是，稀释引起的化学不均匀性如何导致空间不均匀的γ′析出并最终影响局部硬度仍有待系统研究。

尽管在DED-LB过程中γ′析出并未被完全抑制，但高冷却速率和γ′析出温度范围内的有限停留时间通常限制了其大量生长，尽管纳米级γ′可能通过反复热循环和热量积累形成[23,24,25]。这些原位沉积的析出相通常比传统热处理得到的更细且更不均匀；因此，通常采用沉积后热处理以促进γ′的进一步生长。γ′析出相的最终尺寸、体积分数的空间分布在很大程度上决定了沉积物的强化响应[26]。在DED-LB制造的双金属沉积物中，基体稀释程度随构建高程降低，局部热历史在逐层沉积过程中演变。这些耦合因素可能导致时效后产生构建高程依赖的γ′析出[27]。然而，钢基体稀释在控制沉积层中γ′析出不均匀性和力学性能演变中的作用仍然不清楚。

在本工作中，304不锈钢（304SS）和IN738分别作为钢基体和γ′强化的镍基高温合金的代表性材料。IN738是一种γ′析出强化的高温合金，通常用于燃气轮机工业，表现出优异的蠕变断裂强度，同时具有出色的抗热腐蚀性能[28]。通过DED-LB在304SS基体上制备了IN738薄壁沉积物。系统表征了从基体/沉积物界面到沉积物顶部的成分分布、晶粒取向和局部显微硬度演变，重点研究了基体稀释的作用。进一步分析了沿构建方向（BD）时效后的空间不均匀γ′析出。基于这些观察，提出了近界面区域的稀释辅助混合与凝固路径，并使用经典强化模型定量分析时效后的硬度分布。

材料

使用气雾化IN738高温合金粉末作为送粉材料，304不锈钢（304SS）作为基体。304SS基体为商业热轧锻板，以原始状态供应。将板材切割为尺寸为100 × 100 × 10 mm3的试样。沉积前，使用1200目SiC砂纸打磨表面并在乙醇中超声清洗。后文将304SS基体称为基体（BM），而……

晶粒结构

图1a显示了原位沉积薄壁样品在XZ平面上的垂直截面。在沉积层（DL）和基体（BM）的热影响区（HAZ）之间观察到明显的界面，用黄色三角形标记，表明通过基体的局部重熔形成了良好的冶金结合[30]。沉积层主要由细的微观尺度凝固枝晶组成（图1b）。特别地，柱状枝晶优先排列在……

DED-LB及后续时效过程中稀释引起的微观组织演变

上述结果表明，在BM/DL界面附近和沿BD方向存在耦合的化学、结构和缺陷不均匀性。这些特征主要源自DED-LB初始阶段的基体重熔和熔池混合不完全，随后被反复层沉积和时效处理所修改。

BM/DL界面附近的带状成分特征（图3c-e）类似于异种金属熔焊中报道的"漩涡"形貌[35]。这种……

结论

本研究通过DED-LB在304不锈钢基体上制备了IN738高温合金薄壁沉积物。研究了原位沉积态和时效态下稀释引起的化学梯度、界面微观组织、γ′析出行为和硬度演变。主要结论如下：

1. 基体稀释在沉积物中产生了构建高程依赖的化学梯度。Fe从BM/DL界面到顶部区域降低，而Ni、Al和Ti增加……

CRediT作者贡献声明

Xiaofeng Dang：撰写——初稿，可视化，方法论，调查研究，经费获取，数据整理。Shuanglei Cao：方法论，调查研究，数据整理。Zeng Tian：撰写——审阅与编辑，方法论。Wen Xu：撰写——审阅与编辑。Hongxin Dong：方法论，调查研究。Yang Jiao：撰写——审阅与编辑。Xiawu He：撰写——审阅与编辑。Yao Li：验证，监督，数据整理，撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作受陕西省自然科学基金项目（批准号：2025JC-YBQN-513，2025JC-YBQN-631）、西安市科技计划（批准号：2025JH-GXKJRC-0044，2025JH-GXKJRC-0046）、国家市场监督管理总局科技计划项目（批准号：2024MK174）和西安石油大学研究生创新基金（批准号：YCX2612041）资助。

Xiaofeng Dang | Shuanglei Cao | Zeng Tian | Wen Xu | Hongxin Dong | Yang Jiao | Xiawu He | Yao Li

西安石油大学机械工程学院，陕西西安，710065，中国