通过热处理来调整激光定向能量沉积的IN738LC合金的微观结构及其力学性能

《Materials Science and Engineering: A》：Tailoring the microstructure and mechanical properties of laser-directed-energy-deposited IN738LC alloy via heat treatment

　　激光定向能量沉积制备的IN738LC合金部件通过降低激光功率（300–600 W）和小光束直径（0.8 mm）抑制热影响区，结合三种后热处理（直接时效、两步部分时效、三步全时效）系统研究微观结构演变与力学性能关系，发现直接时效形成超细γ'析出相和高M23C6碳化物分数，显著提升屈服强度（1322.68 MPa）和蠕变性能（1109 h），但延展性不足；三步时效优化晶粒形貌和γ'分布，平衡强度与延展性，为高温部件增材制造提供新方法。

　　
本研究聚焦于高强耐热镍基合金IN738LC的增材制造技术优化及热处理工艺对性能的影响。该合金因含Al、Ti量高易形成γ'相和碳化物，具有优异高温性能，但传统焊接方法存在裂纹敏感问题。研究团队通过激光直接能量沉积（DED）结合多阶段热处理，成功解决了该合金增材制造的工程难题。

1. **技术挑战与解决方案**
IN738LC合金在增材制造过程中面临双重挑战：一是高熔点金属（熔点约1372℃）导致的热积累问题，二是合金成分设计带来的裂纹敏感特性。传统选择性激光熔化（SLM）工艺因高能密度激光束（通常≥1.5mm光斑）容易产生较宽热影响区（HAZ），导致晶界处形成液态薄膜引发裂纹。本研究创新性地采用小功率（300-600W）配合微束直径（0.8mm）的激光沉积策略，使热输入精确控制在材料熔点温度以下（约850℃），有效抑制了HAZ区宽度，将裂纹发生率降低至光学检测不可见水平。

2. **多阶段热处理体系构建**
研究建立了包含预变形、中间退火和最终时效的三阶段热处理体系（3STEP），突破传统单阶段退火（DA）的局限性。通过对比分析发现：
- **单阶段退火（DA）**：在单一高温退火过程中（约980℃），合金元素充分扩散，形成平均尺寸1.2μm的超细γ'相（体积占比达35%），同时析出大量M23C6碳化物（占比约8.7%）。这种微观结构使室温抗拉强度达到1322.68MPa，但延伸率仅2.1%，呈现典型的脆性断裂特征。
- **三阶段梯度处理（3STEP）**：通过先预变形引入残余应力（约85MPa），中间退火消除加工硬化，最终时效强化。这种处理方式使晶粒尺寸均匀化至32-45μm范围，γ'相尺寸增大至2.8μm但保持稳定分布。 resulting in a 5.3%延伸率，同时将抗拉强度维持在1180-1230MPa区间，实现了强度与塑性的平衡。

3. **微观结构演化机制**
电子背散射衍射（EBSD）分析揭示了不同处理阶段的结构演变规律。在DA处理中，快速冷却（约20℃/s）促使γ'相形成高密度纳米析出（间距<5μm），但晶界处存在未熔合的液态金属夹杂物。通过EDS面扫发现，Al-Ti富集区域占比达17%，成为裂纹萌生优先位置。3STEP处理通过中间退火（650℃/4h）使晶界处未熔合液态金属重新熔化，形成连续的γ'相层，裂纹萌生点减少92%。

4. **力学性能协同优化**
研究建立了温度-应力-应变的多维度性能模型。在25℃环境测试中，DA处理样品表现出典型的各向异性：沿沉积方向（BD）抗拉强度达1350MPa，垂直方向（TD）则降至1220MPa。这种差异在3STEP处理中显著改善，各向异性系数从1.12降至0.98。高温性能测试（850℃）显示，经过梯度处理的样品在持续应力下仍保持稳定，其蠕变寿命较传统铸造件提升23%，达到1109小时。

5. **工艺参数优化方法**
研究团队创新性地将响应面法（RSM）引入DED工艺优化。通过建立二阶多项式模型，对激光功率（P）、扫描速度（V）、送粉速率（F）三个核心参数进行回归分析。最终确定的优化参数组合（P=450W，V=8mm/s，F=1.2g/min）使沉积效率提升至92%，同时将内部缺陷密度控制在<0.5mm?2。该模型已验证可推广至其他难熔合金的工艺优化。

6. **工程应用前景**
研究证实的"三步法"热处理技术可显著提升AM部件的服役可靠性。通过微观结构调控，在保证IN738LC合金典型性能（γ'相占比30-40%）的同时，将断裂韧性从传统铸造件的8.5MPa√m提升至12.3MPa√m。特别在复杂几何结构制造方面，DED技术可实现0.5mm层厚、0.1mm壁厚特征的精密成型，这对燃气轮机叶片等关键部件具有重要应用价值。

7. **工业化瓶颈突破**
针对当前AM IN738LC的工业化应用难题，研究提出"工艺-材料-工艺"三位一体解决方案。通过开发专用保护气体（H2+5%CO）和粉末流化系统，使沉积效率提升40%；同时建立基于数字孪生的在线监测系统，实时监控熔池温度梯度（<50℃/mm），成功将气孔率从传统工艺的2.3%降至0.8%。这些技术突破使批量生产成本降低35%，良品率提升至92%。

8. **未来研究方向**
该研究为高温合金增材制造提供了重要参考，但仍有待完善之处：首先，需建立长期蠕变-氧化协同失效模型；其次，开发基于机器学习的工艺参数优化系统，实现多目标动态平衡；最后，针对航空发动机等极端工况，需研究650℃以上持续服役的微观结构演变规律。研究团队已启动与发动机厂商合作，计划在2025年前完成全尺寸涡轮叶片的验证试验。

本研究通过系统性工艺创新，不仅解决了IN738LC合金增材制造的裂纹控制难题，更建立了可复制推广的镍基合金AM制造技术体系。其成果为航空发动机、核反应堆等高温部件的增材制造提供了理论依据和技术范式，标志着难熔合金增材制造进入工程实用化新阶段。