多约束筛选引导的IN718添加对激光定向能量沉积IN738LC裂纹抑制与力学性能改善研究

《Journal of Marine Science and Engineering》：Multi-Constraint Screening-Guided IN718 Addition for Crack Suppression and Improved Mechanical Properties of Laser-Directed Energy-Deposited IN738LC

　　

IN738LC是一种γ′相强化的高温合金，适用于高达900 °C的热端部件，但其较高的Al + Ti含量使其在激光定向能量沉积（LDED）过程中易于开裂。添加IN718可抑制开裂，但会降低固有的γ′相比例及计算的高温强度。一个多约束筛选框架限定了可接受的成分范围，实验确定了所测试成分中最低的有效添加量：γ′固溶线准则允许添加量最高约12 wt%，而Fe ≤ 0.5 wt%准则将符合标准的添加量限制在约2 wt%。由于IN738LC + 2%沉积件仍发生开裂，研究人员选择了IN738LC + 3%（标称Fe含量0.65 wt%）以及5 wt%作为对比。成形态IN738LC中的裂纹与γ/γ′共晶液膜相关；在IN738LC + 3%和IN738LC + 5%沉积件的检测区域内未发现裂纹。IN738LC + 3%表现出最高的室温极限抗拉强度（UTS；1467 MPa），延伸率为13.8%，而开裂的IN738LC仅为1240 MPa和3.9%；同时该成分在900 °C下性能最佳（632 MPa，8.0%）。室温性能的提升中包含不可分离的裂纹消除贡献，这一贡献通过对比两个未检测到宏观裂纹的沉积件而得以分离。该框架为IN738LC–IN718–LDED体系中易开裂合金的设计提供了定量边界和趋势指标。

论文解读：多约束筛选引导的IN718添加实现IN738LC激光定向能量沉积裂纹抑制与力学性能提升

一、研究背景与问题提出

IN738LC是一种以γ′相（Ni₃(Al,Ti)）强化的镍基铸造高温合金，凭借优异的高温强度、抗蠕变性能和抗氧化性能，广泛用于航空发动机和工业燃气轮机的工作温度最高约900 °C的热端部件。激光定向能量沉积（LDED）是一种高效的近净成形制造和再制造技术，适用于复杂薄壁IN738LC部件的制造与修复。然而，IN738LC的Al + Ti含量通常超过6.4 wt%，在激光增材制造的快速热循环条件下对开裂高度敏感，因此被视为典型的“不可焊接”高温合金。

LDED过程中的开裂源于冶金因素与热应力的共同作用。经溶质捕获校正的Scheil模拟表明，IN738LC的非平衡凝固区间约为1338 °C至1104 °C，凝固范围约234 °C，远宽于平衡态约100 °C的区间。宽凝固区间使合金长时间处于半固态，沿晶界形成连续的γ/γ′共晶液膜；凝固过程中形成的MC碳化物嵌入液流通道，阻碍熔体回流和收缩补缩；M₂₃C₆碳化物则在后续冷却的固态阶段析出。这些因素与LDED高温梯度和快速冷却产生的残余应力，以及B和Zr偏析形成的低熔点相共同作用，促进液膜保留，最终导致凝固裂纹或液化裂纹。

此前抑制裂纹的策略主要分为四类：工艺参数优化、基板预热、后热处理和成分调整。然而多数策略仅针对单一途径：工艺优化收窄了加工窗口，预热增加成本和复杂度，后热处理无法解决成形态开裂问题，成分调整则缺乏添加量的定量依据。在成分策略中，原位添加IN718是一条有前景的路线：IN718富含Nb和Fe，Al和Ti含量低，γ′形成能力弱，少量添加可提高Nb和Fe并相对降低Al和Ti，从而降低γ′体积分数和γ/γ′共晶数量，削弱相变残余应力。此前研究多采用约20 wt%的高添加量实现无裂纹成形，但显著牺牲了γ′含量和高温强度。如何定量平衡裂纹抑制与高温强度保持，尚缺乏系统研究。

二、研究内容与主要结论

针对上述问题，研究人员提出了一种多约束筛选方法，从上方界定IN718添加量的可行区间，并确定供实验验证的候选添加水平。基于JMatPro平衡计算建立了相控制的上限原则：改性合金的γ′析出温度（≥1120.2 °C）和900 °C下γ′含量（≥38.93%）不应低于标准IN738LC成分下限，同时控制拓扑密排（TCP）相析出。随后利用Eshelby夹杂理论估算γ′相变残余应力随添加量的变化。由于该框架只界定可行区间而不选择唯一成分，研究人员沉积并测试了2、3和5 wt%三个添加水平，以实验确定所测成分中的最低有效添加量。

实验结果表明：符合Fe标准（≤0.5 wt%）的IN738LC + 2%沉积件仍出现宏观裂纹，室温性能无改善；IN738LC + 3%（标称Fe 0.65 wt%）和IN738LC + 5%沉积件在检测区域内未发现宏观裂纹。IN738LC + 3%表现出最高的室温极限抗拉强度（UTS，1467 MPa）和13.8%的延伸率，以及最佳的900 °C性能（632 MPa，8.0%）。研究确定了3 wt%为所测成分中的最低有效添加量，并揭示了裂纹抑制与标准成分合规之间的权衡关系。

三、关键技术方法

研究人员采用的主要技术方法包括：JMatPro v13.0热力学平衡相图计算（镍基高温合金模块，TTNI8数据库），用于确定γ′析出温度和含量、TCP相析出温度和含量等相稳定性判据；基于Eshelby夹杂理论的γ′相变残余应力估算，通过反推法确定特征失配应变ε≈0.6%；γ′形成指数经验公式估算成形态γ′形成倾向；激光定向能量沉积（LDED）实验制备，采用XL-1000 1 kW光纤激光器，优化工艺参数为激光功率650 W、光斑直径1.2 mm、扫描速度550 mm/min、能量密度144 W/mm³、搭接率50%、送粉速率3.4 g/min；光学显微镜（OM）、电子探针显微分析仪（EPMA）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）及能谱仪（EDS）用于裂纹分析、物相鉴定和微观组织表征；室温及900 °C拉伸试验评价力学性能。粉末原料为气雾化球形金属粉末，IN738LC粉末平均粒径68.57 μm，IN718粉末平均粒径57.40 μm，采用行星式球磨机在低转速（120 r/min）和低球料比（2:1）条件下混合2 h以避免粉末变形和污染。

四、研究结果

4.1 IN738LC裂纹分析

成形态IN738LC表面和截面可见明显裂纹网络。EPMA分析显示裂纹处Al和C明显偏析且位置高度重叠，Al在晶界偏析形成低熔点γ/γ′共晶结构，可能产生液膜。凝固过程中高熔点初生MC碳化物优先沿晶界析出并嵌入液流通道，阻碍熔体传输和收缩补缩，促进液膜保留和连续性，增加开裂敏感性。高温梯度和快速冷却累积的残余应力在热应力作用下撕裂晶界液膜，最终导致凝固裂纹。截面SEM对比显示：未改性IN738LC存在广泛裂纹网络，IN738LC + 2%沉积件中仍有裂纹，而IN738LC + 3%和IN738LC + 5%沉积件在全部检测视野（×200–×4000）中均未发现裂纹。裂纹行为在2%和3%添加量之间的突变可能由逾渗型阈值解释，即宏观开裂取决于凝固末期是否形成连续的晶界液膜网络，而非平均γ′形成倾向的微小单调变化。

4.2 XRD物相分析

XRD分析显示所有样品均检测到γ/γ′相衍射峰，两相晶格参数相近导致衍射峰重叠。MC和M₂₃C₆碳化物未在XRD图谱中检出，原因是其估算体积分数约?0.5 vol%，低于实验室XRD典型检测限（约1–5 vol%），与SEM/EDS推断的存在不矛盾。

4.3 微观组织演变

成形态IN738LC + 3%和IN738LC + 5%均呈现LDED典型胞状组织，胞界处有白色块状析出物，EDS显示Ti、Nb、Mo明显偏析，依据形貌和成分暂定为MC碳化物。IN738LC + 3%胞界Al偏析较IN738LC + 5%更明显，并观察到γ/γ′共晶，这与前者Al含量较高有关。改性合金中的γ/γ′共晶以细小离散的胞界组成物形式存在，而非连续的晶界液膜，因此未促进宏观开裂。热处理后，成形态连通的γ/γ′共晶网络被离散的MC和M₂₃C₆碳化物取代，共晶在固溶处理后无法再分辨，MC碳化物保留，而Cr富集的拉长M₂₃C₆碳化物仅在时效后出现。IN738LC + 5%中拉长析出物呈链状分布，IN738LC + 3%中呈不连续分布。

4.4 拉伸性能

室温拉伸试验中，改性合金强度随IN718含量增加而降低，延伸率呈相反趋势。成形态IN738LC + 3%的UTS为1467 MPa、屈服强度（YS）为1156 MPa、延伸率（EL）为13.8%；IN738LC + 5%的UTS为1444 MPa、延伸率15.1%；开裂的IN738LC的UTS仅为1240 MPa、延伸率3.9%；IN738LC + 2%的UTS为1144 MPa、YS 1056 MPa、延伸率2.8%，无改善。高强度主要归因于LDED快速冷却和陡峭热梯度形成的细化凝固（胞状）亚结构和高位错密度。裂纹在塑性变形过程中充当裂纹萌生位点，主要降低UTS和延伸率而非屈服强度。900 °C高温拉伸中，HT-IN738LC + 3%性能最佳（UTS 632 MPa、YS 524 MPa、延伸率8.0%），优于HT-IN738LC + 5%（590 MPa、489 MPa、7.1%）和开裂的HT-IN738LC（583 MPa、507 MPa、4.9%）。这归因于IN738LC + 3%中不连续的M₂₃C₆分布和固溶处理后共晶的溶解，而IN738LC + 5%中链状M₂₃C₆分布作为应力集中源和裂纹扩展路径，降低了延展性。断口分析显示IN738LC呈典型解理断裂特征，IN738LC + 3%和IN738LC + 5%呈现大量韧窝，其中IN738LC + 3%可见解理面，与胞界γ/γ′共晶引起的应力集中有关。

五、讨论与结论

关于性能提升的归因，研究人员指出室温性能改善有两个来源：既有宏观裂纹的消除和内在微观组织变化。内在贡献可通过两种方式分离：一是屈服强度对既有裂纹的敏感性远低于UTS和延伸率，且随IN718添加量单调降低（1174、1156和1129 MPa），与γ′含量计算降低一致；二是直接对比未检测到宏观裂纹的IN738LC + 3%和IN738LC + 5%沉积件：IN738LC + 5%更高的室温延展性（15.1%对13.8%）反映胞界保留的γ/γ′共晶更少，而IN738LC + 3%更好的900 °C性能（632 MPa和8.0%对590 MPa和7.1%）反映不连续而非链状的M₂₃C₆分布。只有相对于开裂IN738LC的UTS和延伸率的绝对提升包含不可分离的裂纹消除贡献。

研究结论可概括为：在所采用的框架下（JMatPro相稳定性判据、Eshelby相变应力指数、高温比强度和成分范围），框架界定了可行成分边界（γ′固溶线准则限制添加量低于12 wt%，Fe成分范围准则限制符合标准的添加量约2 wt%），LDED实验确定了所测成分中的最低有效添加量。实验表明符合标准的IN738LC + 2%仍出现宏观裂纹，因此IN738LC + 3%被确定为所测成分中的最低有效添加量，其标称Fe含量0.65 wt%超出0.5 wt%限值，这一最小偏差以裂纹抑制为代价被接受。未改性IN738LC的开裂与γ/γ′共晶液膜形成和MC碳化物阻碍补缩有关；IN738LC + 3%和IN738LC + 5%在检测区域内无宏观裂纹。改性合金呈胞状组织，胞界有MC碳化物；热处理后共晶溶解，M₂₃C₆在IN738LC + 3%中不连续分布、在IN738LC + 5%中链状分布。室温下IN738LC + 3%的UTS最高（1467 MPa），900 °C下其性能也最佳（632 MPa，8.0%）。该多约束筛选框架为IN738LC–IN718–LDED体系中易开裂合金的设计提供了定量边界和趋势指标，其适用性有待在其他合金体系、工艺条件和增材制造方法中验证。