沉积后热处理对 CMT-WAAM Inconel 718 的微观组织、力学性能及氯化物诱导磨蚀的影响

《Materials Chemistry and Physics》：Effect of post-deposition heat treatment on the microstructure, mechanical performance, and chloride-induced tribocorrosion of CMT-WAAM Inconel 718

　　

摘要

本研究探讨了沉积后热处理对CMT-WAAM（冷金属转移增材制造）制备的Inconel 718合金的微观组织、力学性能、干滑动磨损、腐蚀及摩擦腐蚀行为的影响。共研究了四种状态：原位态（AB）、去应力态（SR）、直接时效态（DA）以及均匀化+固溶+时效态（HSTA）。通过光学显微镜（OM）、扫描电镜/能谱分析（FESEM/EDS）、透射电镜（TEM）和电子背散射衍射（EBSD）分析发现，原位态中存在细长树枝状/胞状特征、Nb/Mo富集的非等轴偏析、Laves型相以及Ti富集的MC型碳化物。去应力处理和直接时效均能降低残余应力，而直接时效促进了γ′/γ″相的密集析出，增强了基体强化效果。均匀化+固溶+时效处理实现了最大的偏析降低，并在时效前形成了最均匀的基体，从而重新建立了析出强化机制。直接时效态具有最高的硬度和抗拉强度，屈服强度为672 ± 15 MPa，抗拉强度为918 ± 18 MPa，但延展性较低。均匀化+固溶+时效态提供了最佳的强度和延展性组合，以及最佳的抗退化性能。干滑动磨损结果表明，均匀化+固溶+时效态将Inconel 718的摩擦系数和比磨损率分别降至0.432 ± 0.009和2.09 ± 0.07 × 10^-5 mm³/N·m。在所有热处理状态中，均匀化+固溶+时效态在3.5 wt.% NaCl溶液中表现出最低的腐蚀电流密度、最高的电荷转移电阻、最平滑的腐蚀后表面以及最低的摩擦腐蚀导致的材料损失。总体而言，直接时效态提供了最高的静态强度，而均匀化+固溶+时效态为CMT-WAAM Inconel 718提供了最佳的力学完整性、耐腐蚀性、耐磨性和摩擦腐蚀耐久性组合。

引言

Inconel 718是一种广泛使用的镍基高温合金，以其优异的强度、可焊性、抗氧化性和耐腐蚀性而闻名，被广泛应用于高温和恶劣服役环境中的应用[1], [2], [3]。这些特性使其成为航空航天、海洋、能源、涡轮、核能及化工部件的理想材料。然而，传统的Inconel 718制造工艺往往成本高昂，原因在于其高强度、加工性差以及在减材制造过程中材料浪费严重[4], [5]。近年来，金属增材制造技术已成为一种有前景的替代传统制造工艺，用于生产各种工程合金的结构部件[6], [7], [8]。在增材制造技术中，电弧增材制造技术因具有高的沉积效率、降低的材料浪费和增强的设计灵活性而受到广泛关注，尤其适用于大规模Inconel 718部件的制造[9], [10], [11]。其中，冷金属转移电弧增材制造相比其他电弧增材制造变体更具吸引力，因为与传统气体金属电弧沉积相比，它具有更低的热输入、可控的金属转移和更高的电弧稳定性[12], [13]。然而，CMT-WAAM Inconel 718通常形成非平衡凝固微观组织。逐层沉积过程中的连续热循环导致外延柱状晶生长、树枝状/胞状凝固、微偏析和枝晶间第二相形成[14], [15]。特别是，Nb和Mo的偏析有利于Laves相的形成，而富Ti和富Nb的碳化物可分布在枝晶间区域[16], [17]。这些特征显著影响力学行为、耐腐蚀性和磨损响应。它们可作为变形过程中的局部应力集中点、滑动过程中的优先粒子拔除位点，以及氯离子腐蚀过程中的微电偶区域。因此，沉积后热处理对于获得WAAM Inconel 718所需的最终性能是必不可少的[18], [19], [20]。

Inconel 718的热处理通常用于溶解有害的偏析相、消除残余应力并析出强化相γ′和γ″[21]。然而，WAAM Inconel 718的性能因所选热处理工艺的不同而存在显著差异。去应力处理可能有助于最小化残余应力，但无法消除枝晶间偏析[22]。在直接时效过程中，γ′/γ″相的析出可能进一步增强强度。然而，一些富含Laves相或偏析的晶界区域可能仍然保留，从而降低延展性或环境抗性[23]。均匀化和固溶处理后再进行时效可以降低化学不均匀性并恢复析出强化，但过大的晶粒生长也可能影响力学行为[24], [25]。因此，选择合适的沉积后热处理工艺路线必须综合考虑相关的微观组织、力学性能和抗退化能力。迄今为止，关于增材制造Inconel 718的研究主要集中在微观组织演变、拉伸性能、热处理优化或腐蚀行为等单一主题上[26], [27]。然而，在海洋、能源和航空航天环境中使用的部件通常同时承受机械载荷、滑动接触和氯离子暴露[28]。在这种条件下，退化不仅源于腐蚀和/或磨损，还源于二者的交互作用。滑动可能破坏钝化膜，暴露出新鲜金属，而腐蚀可能削弱表面，加速材料去除。这种耦合损伤过程被称为摩擦腐蚀，对于WAAM Inconel 718尤为相关，因为其微偏析结构会增加钝化膜的不稳定性并促进局部攻击。

因此，本研究对CMT-WAAM Inconel 718的四种状态——原位态、去应力态、直接时效态和均匀化+固溶+时效态——进行了综合评估。研究工作包括光学显微镜、扫描电镜/能谱分析、透射电镜、电子背散射衍射、力学测试、纳米压痕、拉伸断口分析、干滑动磨损、磨损表面扫描电镜/能谱分析、电化学腐蚀、腐蚀后扫描电镜/能谱分析以及在3.5 wt.% NaCl溶液中的摩擦腐蚀分析。研究目的是确定热处理如何影响微观组织控制、强化、钝化膜稳定性、磨损行为以及磨损-腐蚀协同作用。本研究将热处理对微观组织演变、力学完整性和多尺度退化机制的影响整合到CMT-WAAM Inconel 718的统一框架中。表1简要列出了近期关于热处理增材制造镍基高温合金腐蚀、滑动磨损和摩擦腐蚀的研究论文。该表为本文与现有研究论文（而非综述论文）的比较提供了基础。文献表明，沉积后热处理可以提高强度和/或钝化或耐磨性。但同时也表明，对于在氯离子环境中工作的滑动部件，单一响应优化是不够的。

根据文献，电弧增材制造制备的镍基高温合金的性能受热输入、热循环、化学偏析、晶粒结构、第二相形成和残余应力的强烈影响。这使得难以确定适用于同时承受机械载荷和含氯环境的部件的适当沉积后热处理方案。本研究的创新之处在于，针对单一制造路线和统一实验序列，对CMT-WAAM Inconel 718的原位态、去应力态、直接时效态和均匀化+固溶+时效态进行了综合比较。本研究强调了强度优化路线与服役退化优化路线之间的区别。直接时效通过直接析出强化和减少Nb/Mo偏析，实现了硬度和抗拉强度的最大化。同时，均匀化+固溶+时效通过降低腐蚀后表面粗糙度、减少磨损-腐蚀协同效应和维持钝化膜稳定性，提供了最佳的氯离子暴露下的滑动性能。

章节摘要

研究方案与实验方法

本研究旨在建立CMT-WAAM制备Inconel 718的工艺-微观组织-摩擦学-摩擦腐蚀关联关系。CMT-WAAM部件的制造工艺路线基于先前优化的沉积条件。沉积后的热处理是主要实验参数，因为它影响富Nb Laves相的特征、化学偏析、析出强化、残余应力和钝化膜稳定性。四种材料状态

OM、FESEM/EDS、XRD微观组织演变

光学显微镜、扫描电镜/能谱分析、X射线衍射和透射电镜结果表明，CMT-WAAM制备的Inconel 718的凝固诱导微观组织经沉积后热处理后发生了显著变化。补充表S1总结了综合结果，表明从化学偏析、树枝状的原位态逐渐转变为均匀化+固溶+时效后更加均匀、析出强化的基体。图3(a)中的光学显微照片显示，原位态中的树枝晶是

结论

本研究探讨了沉积后热处理对CMT-WAAM Inconel 718微观组织、力学响应、干滑动磨损、腐蚀和摩擦腐蚀行为的影响。比较的状态包括原位态（AB）、去应力态（SR）、直接时效态（DA）和均匀化+固溶+时效态（HSTA）。根据所获得的结果，得出以下结论：

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  在原位态下，保持了高度不均匀的WAAM凝固结构，

作者贡献声明

Saravanan G：撰写——初稿、研究、数据整理。Karthikeyan S K：撰写——审阅与编辑、项目管理、方法论。

利益冲突声明

作者声明与本稿件不存在利益冲突。本研究为原创性成果，未提交至其他期刊发表，所有作者均已批准。此外，本研究不涉及人类或动物受试者，确保符合伦理研究标准。

数据可用性

原始数据可向作者索取。

生成式人工智能的使用

在准备本工作期间，作者仅使用ChatGPT（版本5.2）进行语言润色和语法修正。未使用任何生成式人工智能工具进行科学内容开发、数据解释或任何核心研究过程。

资金支持

本研究未获得任何资金支持。

利益冲突声明

? 作者声明，他们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。

S.K. Karthikeyan|G. Saravanan

印度泰米尔纳德邦特里钦纳保利托蒂亚姆孔古纳德工程与技术学院机械工程系 邮编：621215