通过超声振动调控TiN增强IN718复合涂层的微观结构与性能——该涂层采用激光定向能量沉积技术制备

《Journal of Materials Processing Technology》：Microstructure and property regulation of TiN-reinforced IN718 composite coatings via ultrasonic vibration – manufactured by laser directed energy deposition

采用超声振动辅助激光沉积制备TiN增强IN718涂层，提出“种子与根系”沉淀微观结构新概念，分析相组成演化规律及TiN含量、超声振动对涂层硬度、屈服强度和耐腐蚀性的影响机制，发现超声振动可显著提升涂层机械性能和耐腐蚀性，但过量TiN会抵消超声优势。

　　

毛华凯|黄龙|吕增彦|王同鑫|段海涛|罗全利|姚翔|刘年|彭宇琪|梅青松|张国栋

武汉大学动力与机械工程学院，中国武汉430072

摘要

采用超声波振动辅助激光定向能量沉积技术制备了TiN增强的IN718复合涂层。提出了一种“种子与根”形状的沉淀微观结构新概念，并验证了包括Al₂O₃、TiO₂、TiN、MX相和Laves/γ共晶相在内的相组成以及这种微观结构的形态演变规律。TiN含量和超声波振动对沉淀相的沉淀比例和均匀性有影响。通过调整TiN含量可以调节涂层的机械性能，最大改善效果为：显微硬度提高30.9%，屈服强度提高69.7%，磨损体积减少47.7%。由于第二相的形态和含量的变化，涂层在不同TiN添加率下的磨损机制也有所不同。超声波振动对涂层的耐腐蚀性有积极影响。对于相同TiN添加率的涂层，耐腐蚀性最多可提高4.3倍。涂层性能的变化主要体现在固溶强化和第二相强化的贡献上。超声波振动促进了固溶强化，而TiN含量主要影响第二相强化的程度。超声波主要通过空化效应和声流效应影响晶核形成速率和熔池能量，从而调节涂层的微观结构和性能。然而，过高的TiN添加率会加剧超声波的衰减，从而对涂层的某些性能产生不利影响。

引言

IN718镍基合金因其优异的机械性能和在650°C温度范围内的耐腐蚀性，被广泛应用于航空航天[1]、[2]、[3]等领域，这些领域要求部件在极端条件下工作。然而，其高硬度和较差的加工性能[5]使得生产过程变得困难且成本高昂。当大量或结构复杂的部件损坏时，直接更换通常会导致资源和经济的重大浪费。此外，在相关行业中，IN718的机械性能低于相关规格[6]。因此，传统的制造方法无法满足IN718广泛应用的实际需求。

激光定向能量沉积（LDED）因其高效性和出色的成型质量[9]，非常适合用于大批量、复杂或难以加工的材料和部件的快速修复和再制造[3]、[7]、[8]。因此，LDED能够完全满足IN718的加工要求。关于提高IN718的机械性能，陶瓷增强方法已被广泛研究。吕等人[10]使用WC通过超声波振动辅助LDED（U-LDED）技术对IN718合金进行增强，使显微硬度提高了多达15.6%。然而，他们没有定量讨论涂层的增强机制，仅对摩擦学行为进行了一些分析。Hajideh等人[11]使用纳米级SiC作为IN718合金的增强相，使涂层的显微硬度提高了最多146%。不过，当SiC含量较高（>2%）时，涂层出现了明显的裂纹。李等人[12]通过LDED原位合成了Ti(C,N)陶瓷，显著提高了316L/IN718基复合材料的强度和耐磨性。与前述研究类似，这项研究仅考虑了材料的机械性能，而忽略了对其耐腐蚀性的讨论。李等人[13]通过LDED原位合成了B?C增强的IN718涂层，结果表明涂层机械性能的提高归因于B?C相的生成和Laves相的精细调控。因此，在陶瓷增强IN718涂层的研究上已经取得了一些进展，陶瓷成分的添加似乎调节了涂层的第二相，从而影响了涂层的性能。然而，大多数研究仅停留在对机械性能的现象学描述上，缺乏深入的机制探索；此外，关于材料耐腐蚀性的讨论也非常少，这限制了其应用范围。最重要的是，在LDED过程中引入陶瓷成分容易导致涂层可成形性、残余应力[14]和机械性能各向异性[15]等问题。这些问题以及柱状晶粒的形成也会损害涂层的整体性能。

在这种背景下，原位超声波场作为一种优化LDED过程的高度有前景的方法应运而生[16]。现有研究表明，当超声波进入熔池时，会产生周期性的压力波动，导致两种非线性现象：声流和空化[17]。这些效应加速了流体流动，促进了晶粒的形成，破坏了柱状晶粒，并有助于形成等轴晶粒[18]。郝等人[19]制备了一种20%NbC-Ni复合涂层，结果表明超声波振荡显著细化了晶粒尺寸，抑制了微裂纹的扩展，提高了涂层的各向同性，从而改善了涂层性能。刘等人[20]通过原位超声波场成功调节了Ni60/WC涂层中第二相的分布，包括WC和纳米级层状共晶结构，使涂层磨损率降低了18.4%。马等人的研究[21]表明，在AlMgScZr的LDED过程中施加超声波可以减少孔隙率和微观收缩，促进纳米级沉淀物的转化，减少合金缺陷，并提高机械性能。李等人[22]通过U-LDED制备了TiC-TMC涂层，结果证实超声波振动降低了涂层孔隙率，减少了结合界面处的缺陷，并提高了涂层的显微硬度和耐磨性。然而，过高的TiC含量会导致制造缺陷并影响性能。因此，基于当前的研究，原位超声波场改善涂层性能的主要方式依赖于优化可成形性、细化晶粒和调节第二相。然而，大多数研究仅基于现象推断增强机制，缺乏进一步的定量计算。此外，所调节的第二相都相对传统，且对其形成过程的分析不足。

像TiN这样的过渡金属氮化物陶瓷具有稳定的物理化学性质和高硬度[23]。基于使用上述陶瓷成分增强IN718的成功案例，我们假设TiN可以增强IN718的性能。一些学者已经通过其他工艺使用TiN改善了IN718的性能[24]。Mandal等人[24]使用激光粉末床熔融技术制备了TiN增强的IN718复合材料。由于该过程中使用的激光功率较低（仅100W），TiN未能在熔池中熔化形成单一固溶体。尽管如此，复合材料的显微硬度和耐磨性仍得到了显著提高。李等人[25]使用选择性激光熔融技术分析了IN718/TiN复合材料的微观结构和机械性能；同样，该研究中使用的激光功率也较低。结果表明，复合材料的优异强度归因于位错强化、承载能力增强、晶粒细化强化和第二相强化。显然，TiN增强IN718复合材料通常涉及多种强化机制。然而，尽管一些学者提出了IN718复合材料的强化机制计算方法，但由于涂层的具体特性，很难获得屈服强度等参数。因此，目前基于IN718涂层的强化机制的定量计算仍处于初级阶段。此外，通过U-LDED成功制备TiN增强IN718合金涂层的进展仍然不足。

在IN718合金的各种加工技术中，Laves相、γ相、γ’相、γ’’相和环状相等沉淀相是第二相强化的关键成分[26]、[27]、[28]、[29]。其中，先前的研究为环状相的研究奠定了基础，这些相通常是C、N和O化合物的固溶体，由Al、Ti、Nb和Mo等元素组成[30]。然而，在熔池中引入TiN原料或超声波振动后，由于这些因素对第二相强化至关重要，因此需要进一步深入探讨沉淀相的演变规律。此外，研究通常集中在涂层的机械性能上，而对耐腐蚀性的探索非常有限。在某些海洋或沿海服役环境中，电化学腐蚀也是导致涂层或部件失效的主要因素。因此，研究涂层的耐腐蚀性同样十分必要。

总之，现有的原位超声波场和陶瓷增强IN718涂层的增强机制仍然不完善，关于涂层耐腐蚀性的讨论也很少。揭示在超声波场和陶瓷成分共同作用下熔池中第二相的形成规律和过程也是一个重大挑战。因此，本研究通过U-LDED技术成功制备了TiN增强的IN718复合涂层。采用纳米压痕技术和无量纲算法获得了涂层的屈服强度和应力-应变曲线，从而准确计算了各种增强类型对屈服强度的贡献。分析了涂层的电化学腐蚀行为，填补了现有研究的空白。在此基础上，通过理论计算讨论了“种子与根”形状沉淀微观结构的形成和演变，阐明了TiN添加量和超声波振动对涂层微观结构和性能的调节作用。这项研究为U-LDED在陶瓷相增强IN718涂层领域的应用提供了充分的理论基础。

材料

涂层基材为Q235钢板，尺寸为100mm×100mm×10mm（中国江苏省龙大钢铁贸易公司）。实验前，钢板使用角磨机进行机械研磨，用丙酮溶液清洗后晾干以备后续使用。涂层所用原材料粉末包括IN718合金粉末和球形TiN陶瓷粉末，两种粉末的粒径范围均为45-105μm，由河北贵发公司提供

界面元素扩散

如图2所示，对每个样品沿熔合线垂直方向进行了EDS线扫描分析，有助于揭示不同实验参数下界面处主要元素的扩散行为。实验中使用的Q235基材主要由Fe元素组成。在U-LDED过程中，由于能量输入和冷却速率较高，Fe元素会在一定程度上扩散到涂层中。如图2(a)–(c)所示，在LDED过程中

讨论

在之前的涂层结构分析中，发现涂层内部存在多层眼球状相结构（图7、图8、图9、图10）。实际上，一些研究者[30]、[53]、[54]已经报道过这种结构；它们通常出现在高熵合金或多组分陶瓷等复杂成分的复合涂层中，并可以对涂层产生第二相强化效应。在本研究中，提到的“种子与根”结构

结论

本研究使用U-LDED工艺沉积了不同TiN含量的IN718合金涂层，首次提出了“种子与根”沉淀相结构的概念，并通过实验和理论计算验证了超声波振荡和TiN含量对涂层微观结构和性能的影响机制。主要结论如下：

(1)

涂层中的沉淀相主要形成“种子与根”结构

CRediT作者贡献声明

姚翔：研究。罗全利：研究。彭宇琪：研究。刘年：监督。吕增彦：研究。黄龙：方法学。段海涛：资源。王同鑫：可视化。梅青松：监督。毛华凯：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，概念化。张国栋：监督，项目管理，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金[项目编号52371073]和特种材料表面工程国家重点实验室2024开放基金[项目编号CBQZJJ2024-2-08]的财政支持。