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背景简介

镍基高温合金IN718的高强度来源于固溶强化、沉淀强化和加工硬化，在高温下具有优异的机械性能以及良好的耐腐蚀性，已广泛应用于飞机发动机燃气轮机、发电厂和核反应堆。Cr、Fe、Mo和Nb有利于固溶强化，而Nb、Al和Ti有利于沉淀强化。γ′ [Ni₃（Al、Ti、Nb）]和γ"（Ni₃Nb）是高温合金IN718中常见的沉淀物，其中γ"是主要强化相。电子束熔融（EBM）是一种增材制造方法，可以有效地逐层制造近净形状，从而能够生产复杂的形状。然而，EBM样品可能含有一些孔隙率，这些孔隙率会降低疲劳和应力断裂寿命。目前，可以使用热等静压（HIP）去除样品中存在的孔隙率。另外，目前推荐用于通过高温合金IN718采用的热处理包括1小时固溶处理（ST）和18-20小时的两步老化。增材制造合金具有与铸造和锻造零件不同的微观结构。因此，对AM合金使用与铸造和锻造合金相同的热处理可能并不理想。在本研究中，对EBM IN718进行了两种不同的热处理，通过对比不同热处理之后材料微观结构的差异，随后讨论了各种强化机制对EBM IN718整体屈服强度的贡献。

成果介绍

（1）图1展示了本文中不同热处理方式的示意图。其中组合式HIP循环的热处理过程可以在一个热等静压机中完成，且相比HIP+STA时间少了接近11h。对打印态以及不同热处理后的样品进行了微观表征，打印态样品中具有0.47±0.3%的缺陷，但在两种热处理之后，材料的缺陷有效的闭合了，且观察到圆盘状的γ′和球状的γ"沉淀物均匀分布（图2）。样品的IPF和Schmid因子图如图3所示，材料的强<100>织构没有发生明显变化。通过线性截距法计算晶粒尺寸，得到打印态、组合式HIP循环、HIP+STA样品的有效晶粒尺寸为41.34±4.43 μm、46.17±2.88 μm、41.74±5.29 μm，相应的Schmid因子为0.4629、0.4660和0.4652。利用图4所示的XRD曲线，使用残差法计算了γ′/γ和γ"/γ界面的晶格参数、体积分数和晶格失配。利用更细观的TEM表征计算得到打印态、组合式HIP循环、HIP+STA样品中γ"沉淀相的平均直径分别为22.17、22.47和25.16nm，γ′相的平均尺寸分别为17.81、18.67和24.25nm。可见，在不同的热处理之后，718的微观结构发生了改变。

图1 （a）组合式HIP循环和（b）HIP+STA热处理示意图

图2 （a）打印态，（b）组合式HIP循环和（c）HIP+STA的扫描电镜照片，（d-f）为相应的析出相分布

图3 打印态、组合式HIP循环样品和HIP+STA样品的IPF图谱(a-c)和Schmid因子图谱(d-f)

图4 打印态、组合式HIP循环和HIP+STA的样品的XRD曲线

图5 (a)打印态，(b)组合HIP循环和(c)HIP+STA样品的透射明场图像，(d)，(e)，(f)为相应的SAED图案，(g)，(h)，(i)为用环斑获得的暗场图像

表1 718中两种相的体积分数(f)、晶格常数(a和c)和晶格错配度(δ)

（2）对718三种条件下的各种强化机制进行了分析，计算方法如式1所示，主要的屈服强度来源是内在强度（σ₀）以及固溶强化（∆σ_ss）、晶界强化（∆σ_D）、位错强化（∆σ_b）和沉淀强化（∆σ_p），相应的强化计算公式由式（2-7）给出。如图7所示，将最终的理论计算值和实验得到的强度与理论计算相比，热处理之后样品的强度偏差较小，打印态较大的强度偏差可能是因为材料内部的缺陷。根据所测的强度数值，本文推荐了组合式的HIP循环热处理，在不影响机械性能的情况下将时效时间从16h减少到5h。

图7 屈服强度实验值与理论值的比较

致谢

这项工作得到了印度SERB的支持。本文第一作者：Ajinkya Ghorpade（Metallurgical and Materials Engineering Department, Indian Institute of Technology (IIT) Roorkee）；通讯作者：Ujjwal Prakash（Metallurgical and Materials Engineering Department, Indian Institute of Technology (IIT) Roorkee）。

本期小编：潘宇杰（整理）

姚辰霖（校对）

王康康（审核）

王永杰（发布）