碱性环境间歇滑动条件下Inconel? 718的摩擦腐蚀机理：传统制造与增材制造对比研究

《Materials》：Tribocorrosion Mechanisms of Inconel? 718 Under Intermittent Sliding in Alkaline Environment

　　

Inconel 718（IN718）是一种镍基高温合金，以其优异的耐磨性和耐腐蚀性而闻名，因此在众多工业领域中得到广泛应用。本研究的主要目标是对传统制造和增材制造的Inconel 718合金在碱性环境中、处于制造态和热处理态条件下的摩擦腐蚀行为进行比较性评估。摩擦腐蚀试验采用球-板式摩擦试验台进行。试验过程中，连续监测摩擦系数和电化学电流，同时对产生的磨损进行定量和定性评估。在摩擦腐蚀条件下，增材制造样品表现出较低的材料损失。增材制造合金的体积磨损量从制造态的0.888 × 10^?3 mm³降至热处理后的0.719 × 10^?3 mm³，而传统制造合金的磨损体积从0.906 × 10^?3 mm³降至热处理后的0.772 × 10^?3 mm³。结果表明，对于两种制造方法，热处理均减少了摩擦腐蚀条件下的材料损失（约15–19%）。所呈现的分析还表明，制造方法并未影响摩擦腐蚀条件下的体积磨损。

**1. 研究背景与科学问题**

Inconel 718（IN718）是一种镍含量超过50%的镍基高温合金，因其优异的机械强度、高温抗氧化性、耐腐蚀性、抗循环疲劳载荷能力以及良好的焊接性，在航空航天、太空、切削工具和核工业等苛刻应用领域成为最重要的工程材料之一。IN718可通过从传统方法到先进增材制造（additive manufacturing, AM）工艺等多种制造技术生产。增材制造通过逐层沉积和熔融金属原料来制造部件，能够对最终几何形状实现高度控制，其中激光粉末床熔融（PBF-LB/M）是主流的金属增材制造工艺之一。

尽管针对镍基合金已有大量研究，但关于其在磨损与腐蚀同时作用（即摩擦腐蚀）下的抗力研究相对有限，尤其是针对IN718这类增材制造材料。已有研究表明，增材制造IN718在摩擦腐蚀条件下的总体退化程度几乎是纯机械磨损的两倍，表明电化学与机械效应之间存在强烈协同作用。然而，现有研究并未阐明热处理如何影响增材制造IN718在腐蚀条件下的摩擦磨损性能，且传统制造IN718与增材制造IN718在碱性环境中的摩擦腐蚀性能对比研究仍然不足。为此，本研究旨在评估Inconel 718在含0.3 M H₃BO₃和0.075 M Na₂B₄O₇·10H₂O、pH 8.2的硼酸盐碱性溶液中的摩擦腐蚀抗力，研究对象涵盖传统铸造和PBF-LB/M增材制造两种工艺制备的样品，并系统考察热处理对微观组织、显微硬度及摩擦腐蚀抗力的影响。选择硼酸盐缓冲液作为试验环境，是因为其缓冲能力可提供稳定的电化学条件，有利于钝化膜的形成与研究，同时许多工业摩擦系统（如泵、阀门、液压元件、冷却回路等）均暴露于碱性环境中。

**2. 研究方法概述**

本研究使用的增材制造样品由SLM 280 Dual 2.0 PBF-LB/M系统制备，采用氩气保护气氛，激光功率300 W、扫描速度1300 mm/s、层厚30 μm、 hatch间距0.12 mm，以67°旋转条带扫描策略制造直径16 mm、高100 mm的圆柱形半成品。传统制造参照样品采用铸造后拉拔至直径10 mm的工艺，由Carpenter Technology公司供货，供货态为955 °C退火态。两种制造方法的样品均进行了热处理（含去应力、固溶和时效处理）。研究人员采用扫描电子显微镜（SEM）结合能谱分析（EDS）进行显微组织表征，使用FM-810显微硬度计（载荷50 g，保载15 s）进行显微硬度测定。摩擦腐蚀试验在球-板式线性往复滑动摩擦试验机上进行，以Al₂O₃球为对摩副，试验环境为硼酸盐溶液，采用三电极电化学池：样品为工作电极，铂丝为对电极，Hg/Hg₂SO₄（MSE）为参比电极。法向载荷2.7 N，频率1 Hz，滑动速度20 mm/s，冲程5 mm，共1800次往复循环。摩擦腐蚀磨损（W_T）在钝化区电位（?0.5 V vs. MSE）下测定，机械磨损分量（W_M）在阴极极化（?0.9 V vs. MSE）下测定，后者通过抑制腐蚀过程以分离纯机械磨损分量。采用光学轮廓仪对磨损轨迹进行三维轮廓测量以计算体积磨损量，并采用SEM对磨损表面形貌进行观察。统计分析采用双尾Student's t检验和Cohen's d效应量系数。

**3. 研究结果**

**3.1 显微组织表征**

显微组织观察显示，传统制造IN718（IN718和IN718HT）的晶粒尺寸大于增材制造材料（IN718AM和IN718AM/HT）。经高温热处理后，增材制造样品不再呈现典型的PBF-LB/M组织，而是由含有大量孪晶界的半等轴γ晶粒组成。晶粒内部观察到的析出物经定性分析可能为富铌和钛的碳化物，其存在可归因于PBF-LB/M加工过程中产生的初始显微偏析促进了高温均匀化初期(Nb,Ti)C碳化物的形成，这些碳化物通过Zener钉扎效应限制晶粒长大。增材制造样品的显微组织分析未在检查截面中观察到典型PBF-LB/M缺陷（如未熔合孔隙）。

**3.2 显微硬度**

显微硬度结果显示，热处理后增材制造样品（IN718AM/HT）的平均硬度最高，达522 HV；传统制造未热处理样品（IN718）的平均硬度最低。热处理提高了Inconel 718的硬度，而与制造方法无关。增材制造样品较传统制造样品表现出更高的硬度值。由于两种样品经历了相同时效处理，IN718AM/HT的较高硬度更可能由强化相γ″和γ′析出物的尺寸和体积分数决定，而非仅由晶粒尺寸决定。残余的Nb偏析会影响时效期间的局部Nb可及性，从而导致析出物分布差异。

**3.3 摩擦系数演变**

在机械主导磨损条件下，所有研究材料的摩擦系数在整个试验过程中保持相对稳定，仅出现短期波动，这些波动可归因于磨屑在接触区内的周期性形成、积累和排出。传统制造与PBF-LB/M制造材料之间的平均摩擦系数无显著差异，热处理对合金的摩擦行为也无明显影响。在摩擦腐蚀条件下观察到了类似趋势，摩擦曲线波动幅度与机械主导磨损期间记录的相当。各材料变体摩擦曲线的相似性表明，Inconel 718在所研究环境中的摩擦行为在很大程度上与制造方法和后处理状态无关。

**3.4 电流动态响应**

在机械主导磨损条件下，测得的电流保持相对较低且稳定，各材料之间无显著差异。在摩擦腐蚀试验中，电流瞬态符合钝化合金在同时承受机械和电化学载荷时的典型特征。初始浸没期间电流因钝化氧化膜的形成和生长而下降；滑动开始后电流急剧增加并保持在高水平，这是对摩副机械去除钝化膜、裸露金属暴露于腐蚀环境的结果；滑动停止后电流迅速回落至初始值，反映暴露表面钝化氧化层的重新形成。各研究材料在滑动期间的稳态电流相近（约0.006–0.008 mA），表明在摩擦腐蚀条件下具有相似的电化学行为和钝化特性。

**3.5 磨损体积与磨损形貌**

在机械主导磨损条件下，热处理后的PBF-LB/M增材制造样品（IN718AM/HT）表现出最低的平均体积磨损量（0.549 ± 0.081 × 10^?3 mm³），而传统制造未热处理样品（IN718）的材料损失最高（0.747 ± 0.092 × 10^?3 mm³）。在摩擦腐蚀条件下，IN718的磨损体积最大（0.906 ± 0.099 × 10^?3 mm³），IN718AM/HT最低（0.719 ± 0.096 × 10^?3 mm³）。所有情况下，摩擦腐蚀试验的材料损失均高于相应的机械主导磨损试验，凸显了磨损与腐蚀协同作用对材料退化的不利影响。磨损表面SEM观察显示，所有试验条件下均以磨粒磨损为主要材料去除机制，表现为平行沟槽特征。在摩擦腐蚀条件下产生的磨损轨迹中，沟槽的明显程度和数量均低于机械主导磨损试验后的观察结果，表明摩擦腐蚀过程中腐蚀作用的同步进行可能去除或改变了部分机械相互作用产生的表面损伤。

**3.6 统计分析**

基于Student's t检验的统计分析未发现所比较的任何组合存在统计学显著差异。然而，采用Cohen's d进行的效应量分析表明，部分观察到的差异可能具有实际重要性。制造方法（传统或增材）未影响摩擦腐蚀条件下的体积磨损，该结论同时适用于制造态和热处理态材料。热处理表现出降低摩擦腐蚀磨损的趋势，尤其在增材制造样品中效果最为显著（IN718AM与IN718AM/HT比较的d = 1.10）。

**4. 讨论与结论**

摩擦腐蚀条件下所有材料变体的磨损量均显著高于机械主导磨损条件下的测量值，这可归因于摩擦与腐蚀之间的协同相互作用，该效应与滑动引起的表面损伤所引发的去钝化-再钝化循环密切相关。热处理对Inconel 718的摩擦腐蚀抗力具有积极影响：传统制造样品的磨损体积在热处理后降低了约15%（从0.906 × 10^?3 mm³降至0.772 × 10^?3 mm³），增材制造样品降低了约19%（从0.888 × 10^?3 mm³降至0.719 × 10^?3 mm³），这一改善主要归因于热处理引起的硬度提升。增材制造样品在摩擦腐蚀条件下表现出较低的平均磨损体积，但统计检验表明制造方法并未显著影响摩擦腐蚀条件下的体积磨损。综合本研究结果可得出以下主要结论：

（1）所施加热处理提高了所有研究的Inconel 718变体的硬度，增材制造材料（IN718AM和IN718AM/HT）的硬度值高于其传统制造对应样品。

（2）所有研究的Inconel 718变体均表现出在含0.3 M H₃BO₃和0.075 M Na₂B₄O₇·10H₂O、pH 8.2的硼酸盐溶液中的钝化能力。

（3）对于所有研究的材料变体，摩擦腐蚀条件下的磨损量始终高于机械主导磨损载荷条件下的磨损量，该行为可归因于摩擦引起的表面损伤（微切削）以及伴随的去钝化-再钝化循环所引发的电化学过程增强。

（4）在摩擦腐蚀条件下，增材制造样品在制造态和热处理态均表现出较低的材料损失，但统计分析表明制造方法并未影响摩擦腐蚀条件下的体积磨损。

（5）热处理降低了传统制造和增材制造Inconel 718在摩擦腐蚀条件下的体积磨损，该有益效果在PBF-LB/M制造的样品中尤为显著。