哈工大等提出一种简易3D打印IN718热处理工艺！只需650°C时效4小时！

近日，哈尔滨工业大学王晓军教授团队、南京工业大学范国华教授团队与飞而康快速制造科技有限责任公司合作，在增材制造（ 3D 打印）高温合金热处理工艺和强塑性机理研究领域取得新进展，相关成果以 “Achieving balanced mechanical properties in laser powder bed fusion processed Inconel 718 superalloy through a simplified heat treatment process” 为题发表在学术期刊 Journal of Materials Science & Technology 上。

体现打印态和热处理态组织特征、力学性能对比和强塑性提升机制的图片摘要

该研究设计发展了一种用于IN718（对应国内牌号GH4169）镍基高温合金力学性能提升的增材制造专用改进型热处理工艺（MHT）。该工艺只需在650°C下进行单步时效4小时，即可制备高强度、高延展性和低残余应力的激光粉末床熔融IN718合金。

现有激光粉末床熔融高温合金3D打印成形后通常采用的热处理制度多数沿袭于传统铸锻态IN718合金。普遍采用的仍然是固溶加两步时效的SA热处理工艺，可以获得接近于1400MPa的抗拉强度。本研究中经过改进型MHT（直接时效热处理）IN718合金的抗拉强度（1368 MPa）与之相当。同时MHT处理态合金拉伸伸长率为~21.7%，较SA处理态合金（拉伸延伸率13.4%）大幅提升约60%，残余应力（~195 MPa）较SA热处理态降低了约20%。

MHT处理后IN718合金优异的综合性能主要归功于其微观组织中大量直径为5 nm左右γ''相的弥散析出，以及从打印态初始组织中保留的纳米尺寸Laves析出相和位错胞组织。这几种独特微观组织的交互作用有助于调控拉伸变形过程中的加工硬化行为，并延缓颈缩的发生。该研究揭示了增材镍基高温合金中一种特有的增强增韧机制，并为提升LPBF制备IN718合金力学性能提供了一种简单、低能耗、低成本的热处理路线。

激光增材制造 IN718 合金经过改进型热处理工艺处理后的力学性能对比： (a) 工程拉伸应力 - 应变曲线； (b) 拉伸力学性能指标； (c) 加工硬化速率曲线； (d) 拉伸性能与文献研究的比较

经 XRD 测量的激光增材制造 IN718 合金热处理前后 (a) 沿拉伸方向的残余应力，以及 (b) 晶面间距 d 与 Sin 2 (Psi) 的线性拟合结果。

IN718 是一种通用性镍基高温合金，广泛用于包括燃气轮机和涡轮增压器转子在内的多种热端部件。该合金以其优良的可焊性、抗蠕变、高屈服强度和高温疲劳强度而被广泛应用。 LPBF 作为一种受到广泛应用的增材制造技术，可以直接从三维模型制造具有复杂几何形状的金属部件，可以有效应对 IN718 由于高硬度和低导热性给制造复杂部件带来的挑战。与传统制造工艺相比， LPBF 具有简化生产步骤、高设计灵活性、高材料利用率等优势，已经在航空航天、交通电子、能源化工和生物医疗等工业领域获得大量应用。

IN718作为一种沉淀强化型高温合金，在传统铸锻加工和激光增材制造后都需要热处理以提高其室温和高温力学性能。典型的固溶时效热处理制度（SA）专为铸造和锻造IN718开发并优化。SA热处理通常包括一步980℃的固溶处理以溶解Laves相，以及随后在720℃和620℃分别进行的两步时效处理析出共格γ′（Ni3(Al, Ti)）相和半共格γ′′（Ni3Nb）实现强化。SA工艺已被证实能有效提高铸造或锻造IN718合金的力学性能。然而，激光增材制造过程中的快速熔化凝固热循环会在IN718合金中制备出独特的非平衡微观组织，从而影响到其性能和传统热处理工艺的有效性。在LPBF IN718合金中，与元素偏析共生的亚微米级胞状位错网络特征通常遍布打印态组织。这种非平衡组织会影响到常规SA热处理中的固态相变和析出过程，导致固溶时δ相析出于晶界处和塑性降低。现行一种改进的方法是将固溶温度提高到1150℃，完全溶解Laves相以避免塑性降低，但这也可能导致再结晶和晶粒长大。另一种方法是直接时效（DA）处理，不经过固溶过程来直接提高锻造或LPBF加工IN718合金的屈服强度。有文献指出，由于LPBF制备IN718合金中的位错和偏析对析出动力学的影响，DA处理可能导致析出相粗化和塑性降低。

激光增材制造 IN718 合金中胞状位错组织与纳米析出相间在拉伸变形过程中的相互作用：打印态 AB 样品在 (a) 0% 和 (b) ， (c) 3% 应变下的明场透射图像。 MHT 直接时效热处理样品在 (d) 0% 和 (e) ， (f) 3% 应变下的明场透射图像

针对上述问题，王晓军团队与范国华团队提出了一种改进的、适用于LPBF制备IN718合金的新型热处理工艺（MHT）。该工艺在简化热处理流程的同时实现了高强度、低应力和高塑性，具有较高的经济环境效益和实用价值。新的MHT工艺允许IN718合金保留初始的Laves相和胞状位错网络，其促进了纳米级γ''相的析出，同时避免了有害脆性δ相的析出。与打印态（AB）和固溶加两步时效处理态（SA）的LPBF IN718样品相比，新型MHT处理一方面通过保留Laves相和高密度位错维持其强化效果；另一方面，Laves相和位错网络协同促进森林位错之间的相互作用，而纳米级γ''相的析出延滞了可动位错的快速消耗，有助于保持高变形量下的加工硬化和延缓塑性失稳。此外，由于MHT过程避免了晶界处δ相的析出，其晶间变形能力得以保留不至于因此损失塑性。本研究结果为激光增材制造镍基高温合金的热处理提供了一种简单而经济的解决方案，并基于激光增材制造镍基高温合金揭示了一种既保留纳米Laves、γ''相和胞状位错组织强化效果又不过多损失塑性的增强增韧机制。

通过 Kocks-Mecking 模型预测的激光增材制造 IN718 合金的 (a) 加工硬化过程与 (b) AB 、 (c) SA 和 (d) MHT 样品中不同显微组织对抗拉应力增长速率的贡献。

激光增材制造IN718合金的晶粒取向演变：(a) AB样品；(b) SA样品；(c) MHT样品。

哈尔滨工业大学-南京工业大学联合培养的2021级博士生丁子祎为论文第一作者，哈尔滨工业大学王晓军教授、南京工业大学缪克松副教授、范国华教授为论文共同通讯作者。南京工业大学晁琦教授、谢信亮副教授、吴昊教授和飞而康快速制造科技有限责任公司研发中心负责人计霞高级工程师分别在机理分析与论文修改、结果讨论和样品制备等方面对本工作提供了指导和帮助。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省重点研发计划和江苏省自然科学基金等项目资助。

研究工作全文详见 https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.06.057

注：本文内容转自增材制造技术前沿，转载请联系发布方。

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