近日，哈爾濱工業大學王曉軍教授團隊、南京工業大學範國華教授團隊與飛而康快速製造科技有限責任公司合作，在增材製造（ 3D 列印）高溫合金工藝和強塑性機理研究領域取得新進展，相關成果以 “Achieving balanced mechanical properties in laser powder bed fusion processed Inconel 718 superalloy through a simplified heat treatment process” 為題發表在學術期刊 Journal of Materials Science & Technology 上。
該研究設計發展了一種用於IN718（對應國內牌號GH4169）鎳基高溫合金力學效能提升的增材製造專用改進型熱處理工藝（MHT）。該工藝只需在650°C下進行單步時效4小時，即可製備高強度、高延展性和低殘餘應力的鐳射粉末床熔融IN718合金。
現有鐳射粉末床熔融高溫合金3D列印成形後通常採用的熱處理制度多數沿襲於傳統鑄鍛態IN718合金。普遍採用的仍然是固溶加兩步時效的SA熱處理工藝，可以獲得接近於1400MPa的抗拉強度。本研究中經過改進型MHT（直接時效熱處理）IN718合金的抗拉強度（1368 MPa）與之相當。同時MHT處理態合金拉伸伸長率為~21.7%，較SA處理態合金（拉伸延伸率13.4%）大幅提升約60%，殘餘應力（~195 MPa）較SA熱處理態降低了約20%。
MHT處理後IN718合金優異的綜合性能主要歸功於其微觀組織中大量直徑為5 nm左右γ相的彌散析出，以及從列印態初始組織中保留的奈米尺寸Laves析出相和位錯胞組織。這幾種獨特微觀組織的互動作用有助於調控拉伸變形過程中的加工硬化行為，並延緩頸縮的發生。該研究揭示了增材鎳基高溫合金中一種特有的增強增韌機制，併為提升LPBF製備IN718合金力學效能提供了一種簡單、低能耗、低成本的熱處理路線。
鐳射增材製造 IN718 合金經過改進型熱處理工藝處理後的力學效能對比： (a) 工程拉伸應力 - 應變曲線； (b) 拉伸力學效能指標； (c) 加工硬化速率曲線； (d) 拉伸效能與文獻研究的比較
經 XRD 測量的鐳射增材製造 IN718 合金熱處理前後 (a) 沿拉伸方向的殘餘應力，以及 (b) 晶面間距 d 與 Sin 2 (Psi) 的線性擬合結果。
IN718 是一種通用性鎳基高溫合金，廣泛用於包括燃氣輪機和渦輪增壓器轉子在內的多種熱端部件。該合金以其優良的可焊性、抗蠕變、高屈服強度和高溫疲勞強度而被廣泛應用。 LPBF 作為一種受到廣泛應用的增材製造技術，可以直接從三維模型製造具有複雜幾何形狀的金屬部件，可以有效應對 IN718 由於高硬度和低導熱性給製造複雜部件帶來的挑戰。與傳統制造工藝相比， LPBF 具有簡化生產步驟、高設計靈活性、高材料利用率等優勢，已經在航空航天、交通電子、能源化工和生物醫療等工業領域獲得大量應用。
IN718作為一種沉澱強化型高溫合金，在傳統鑄鍛加工和鐳射增材製造後都需要熱處理以提高其室溫和高溫力學效能。典型的固溶時效熱處理制度（SA）專為鑄造和鍛造IN718開發並最佳化。SA熱處理通常包括一步980℃的固溶處理以溶解Laves相，以及隨後在720℃和620℃分別進行的兩步時效處理析出共格γ′（Ni3(Al, Ti)）相和半共格γ′′（Ni3Nb）實現強化。SA工藝已被證實能有效提高鑄造或鍛造IN718合金的力學效能。然而，鐳射增材製造過程中的快速熔化凝固熱迴圈會在IN718合金中製備出獨特的非平衡微觀組織，從而影響到其效能和傳統熱處理工藝的有效性。在LPBF IN718合金中，與元素偏析共生的亞微米級胞狀位錯網路特徵通常遍佈列印態組織。這種非平衡組織會影響到常規SA熱處理中的固態相變和析出過程，導致固溶時δ相析出於晶界處和塑性降低。現行一種改進的方法是將固溶溫度提高到1150℃，完全溶解Laves相以避免塑性降低，但這也可能導致再結晶和晶粒長大。另一種方法是直接時效（DA）處理，不經過固溶過程來直接提高鍛造或LPBF加工IN718合金的屈服強度。有文獻指出，由於LPBF製備IN718合金中的位錯和偏析對析出動力學的影響，DA處理可能導致析出相粗化和塑性降低。
鐳射增材製造 IN718 合金中胞狀位錯組織與奈米析出相間在拉伸變形過程中的相互作用：列印態 AB 樣品在 (a) 0% 和 (b) ， (c) 3% 應變下的明場透射影象。 MHT 直接時效熱處理樣品在 (d) 0% 和 (e) ， (f) 3% 應變下的明場透射影象
針對上述問題，王曉軍團隊與範國華團隊提出了一種改進的、適用於LPBF製備IN718合金的新型熱處理工藝（MHT）。該工藝在簡化熱處理流程的同時實現了高強度、低應力和高塑性，具有較高的經濟環境效益和實用價值。新的MHT工藝允許IN718合金保留初始的Laves相和胞狀位錯網路，其促進了奈米級γ相的析出，同時避免了有害脆性δ相的析出。與列印態（AB）和固溶加兩步時效處理態（SA）的LPBF IN718樣品相比，新型MHT處理一方面透過保留Laves相和高密度位錯維持其強化效果；另一方面，Laves相和位錯網路協同促進森林位錯之間的相互作用，而奈米級γ相的析出延滯了可動位錯的快速消耗，有助於保持高變形量下的加工硬化和延緩塑性失穩。此外，由於MHT過程避免了晶界處δ相的析出，其晶間變形能力得以保留不至於因此損失塑性。本研究結果為鐳射增材製造鎳基高溫合金的熱處理提供了一種簡單而經濟的解決方案，並基於鐳射增材製造鎳基高溫合金揭示了一種既保留奈米Laves、γ相和胞狀位錯組織強化效果又不過多損失塑性的增強增韌機制。
透過 Kocks-Mecking 模型預測的鐳射增材製造 IN718 合金的 (a) 加工硬化過程與 (b) AB 、 (c) SA 和 (d) MHT 樣品中不同顯微組織對抗拉應力增長速率的貢獻。
哈爾濱工業大學-南京工業大學聯合培養的2021級博士生丁子禕為論文第一作者，哈爾濱工業大學王曉軍教授、南京工業大學繆克松副教授、範國華教授為論文共同通訊作者。南京工業大學晁琦教授、謝信亮副教授、吳昊教授和飛而康快速製造科技有限責任公司研發中心負責人計霞高階工程師分別在機理分析與論文修改、結果討論和樣品製備等方面對本工作提供了指導和幫助。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、江蘇省重點研發計劃和江蘇省自然科學基金等專案資助。
研究工作全文詳見 https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.06.057
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