通过钴合金化在增材制造的Inconel 718合金中原位抑制Laves相的形成：第一性原理计算、影响机制及性能研究

《Materials Science and Engineering: A》：In-situ suppression of Laves phases in additively manufactured Inconel 718 via Co alloying: first-principles calculations, influencing mechanisms, and performance

通过添加钴（Co）元素抑制增材制造Inconel 718中Nb偏析和Laves相形成，第一性原理计算表明Co固溶于γ基体提高Nb含量，缩短Laves相生长周期，促进γ''相沉淀和γ相细化，使抗拉强度、屈服强度分别提升11.7%和12.7%，延伸率提高41.4%。

　　

谢伟然|段晓明|杨晓东

哈尔滨工业大学机械工程与自动化系，哈尔滨，150001，中国

摘要

在增材制造的镍基超级合金中普遍析出的链状Laves相会降低零件的机械性能，这一点已有充分记录。然而，目前尚缺乏在增材制造过程中抑制Laves相形成的方法。本研究提出了一种新方法，通过钴（Co）合金化在原位抑制Inconel 718合金中Nb元素的偏析和Laves相的形成。制备了由Inconel 718和含5 wt% Co的Inconel 718合金制成的薄壁零件，并对其微观结构、硬度及拉伸性能进行了研究。第一性原理计算表明，添加的Co促进了Nb在Inconel 718 γ基体中的固溶，使得含5 wt% Co的Inconel 718合金基体中的Nb含量增加，从而带来了两个关键优势：一方面，基体中Nb含量的增加直接减少了枝晶间液相中的Nb含量，从而缩短了Laves相的生长周期；另一方面，基体中Nb含量的增加促进了析出硬化相γ''（Ni₃Nb）的形成，同时也有助于γ相的析出和晶粒细化。结果表明，含5 wt% Co的Inconel 718合金的极限抗拉强度、屈服强度和延展性分别提高了11.7%、12.7%和41.4%。较小的、更分散的Laves相以及较低的面积分数被认为是材料性能提升的主要原因。通过阐明Co合金化如何影响Inconel 718中γ相中的Nb-基体相互作用，本研究为减轻增材制造镍基超级合金中的Nb偏析和Laves相形成提供了基础性的见解和原子级别的指导。

引言

Inconel 718是一种以Ni、Cr和Fe为主要元素的奥氏体超级合金[1]。由于其高强度、耐腐蚀性、抗疲劳性和高温下的抗蠕变性，Inconel 718被广泛用于制造涡轮叶片和转子等热端部件，以及核反应堆中的关键部件[2]、[3]、[4]。然而，在加工Inconel 718时，容易发生变形和加工硬化，这会显著增加切削力和温度，导致工具严重磨损[5]、[6]。金属增材制造（AM）是一种逐层制造固体金属零件的方法，适用于制造具有复杂几何形状的部件，如涡轮[7]。

许多研究集中在Inconel 718零件的增材制造上，以更好地理解AM零件的微观结构和缺陷形成，并通过后处理技术获得高机械性能的零件。Kindermann等人[8]研究了加工参数对电弧定向能量沉积（ARD）制造的Inconel 718零件热循环和机械性能的影响，发现建造中断会导致应变局部化和通过局部裂纹及瞬态热场引起的早期失效。Liu等人[9]研究了激光粉末沉积的加工策略，成功调控了AM Inconel 718零件的微观结构和机械性能。Wang等人[10]提出了一种液态金属辅助的激光粉末床熔融方法，并通过原位热处理获得了具有高抗拉强度和延展性的AM Inconel 718零件。Xu等人[11]对直接能量沉积（DED）制造的Inconel 718零件进行了多步热处理，从而改善了其高温拉伸性能。然而，由于纳米γ'/γ"强化相的析出不足、严重的微观偏析、粗大的枝晶间Laves相以及较差的延展性和裂纹敏感性，现有零件仍无法满足航空航天等严苛服役环境中的高稳定机械性能要求[11]。此外，使用DED等方法制造的零件由于原始微观结构粗糙和枝晶间偏析，对热处理的响应有限，从而限制了其机械性能的进一步提升[12]。

为了进一步提高Inconel 718零件的性能，人们研究了多种强化方法。一些研究通过优化工艺参数[13]或在制造过程中结合锻造和超声等其他加工方法[14]、[15]、[16]、[17]、[18]来获得所需的微观结构。尽管这些方法可以提高零件的性能，但也增加了制造过程的复杂性。此外，碳化物颗粒也被用作制造Inconel 718零件的强化颗粒，它们可以通过原位形成碳化物相来增强材料[19]、[20]、[21]、[22]。然而，由于陶瓷颗粒与基体之间的润湿性和界面应力不匹配，可能会产生微裂纹缺陷[23]、[24]。向Inconel 718中添加合金元素也被认为是一种有效的强化方法，因为合金元素以固溶体或纳米析出相的形式存在于基体中，从而避免了颗粒与基体之间的缺陷[25]、[26]。Sc和Y通常作为氧化物弥散强化（ODS）剂添加到Inconel 718中，以在AM零件中产生钉扎效应并实现晶粒细化和析出强化[25]、[26]。然而，氧化物析出似乎对Laves相的数量和形态影响不大[27]。

Laves相是导致AM Inconel 718零件机械性能下降的主要原因之一。Laves相是一种脆性的金属间化合物，化学式为(Ni, Cr, Fe)₂(Nb, Mo, Ti)[28]。当Nb和Mo等原子较大的元素溶解在γ基体中时，这些元素与Ni和Fe等基体元素之间会产生反作用力[29]，导致系统的应变能增加。此外，这些元素与基体元素(Ni, Cr, Fe)的原子尺寸比适合Laves相的稳定形成[30]，因此在非平衡凝固条件下容易发生微观偏析[31]。

许多研究致力于抑制Laves相的形成或改变其长链形态。一些研究人员通过控制AM过程中的热源和冷却速率来使Laves相更加分散，以便后续进行热处理[32]、[33]、[34]。此外，还提出了结合电磁场或辅助热源的方法来抑制Inconel 718的AM过程中Nb的偏析[10]、[35]、[36]。然而，这些方法需要额外的设备，增加了设备和工艺的复杂性。此外，向Inconel 718中添加碳化物和硼化物颗粒也会影响零件的Laves相的形成和形态[37]、[38]。据报道，适当比例的碳化物添加几乎可以完全抑制Laves相的形成[39]、[40]。然而，这些方法的Laves相抑制机制是通过促进Laves相的主要成分Nb与添加的碳原子结合形成碳化物沉淀来实现的。稳定碳化物的形成消耗了形成纳米级沉淀γ''相(Ni₃Nb)所需的Nb原子，从而限制了后续热处理中AM零件机械性能的提高。

总之，关于通过使用合金元素在制造过程中减少Nb偏析来抑制AM Inconel 718零件中Laves相形成的方法报道较少。大多数研究主要集中在基于激光的AM方法制造的零件上，而基于电弧的AM方法制造的零件中的相同问题却受到较少关注。由于基于电弧的AM方法具有较高的热输入和较低的冷却速率，制造的零件通常具有粗糙的微观结构和更严重的Nb偏析，这使得控制AM过程中的Laves相形成变得更加复杂。因此，在AM过程中抑制Laves相的形成以获得理想的微观结构和机械性能变得尤为重要。钴（Co）作为合金元素，具有与镍相同的面心立方（FCC）晶体结构且原子半径非常相似，能够在Inconel 718的γ基体中形成稳定的固溶体，而不会引起显著的晶格畸变。此外，Co与Nb之间的混合焓低于Ni与Nb之间的混合焓，这意味着添加Co可以增强枝晶间区域的Nb局部偏析，从而加强原子间的键合作用。因此，钴是一种有前景的合金元素，可用于抑制增材制造Inconel 718中长链状Laves相的形成。

因此，为了解决基于电弧的增材制造Inconel 718中严重的Nb偏析和由此产生的长链状Laves相形成问题（这一问题因较高的热输入和较低的冷却速率而加剧），以及现有缓解策略的局限性，本研究重点是通过引入Co作为合金元素来抑制Laves相的形成，优化微观结构并改善零件的机械性能。这项研究有望为提高基于电弧的AM Inconel 718零件的性能提供可行的途径。

材料与实验

实验中使用了商业化的Inconel 718粉末和Co粉末作为原料。气雾化制备的Inconel 718粉末具有近球形形态，粒径为45 μm。Inconel 718粉末的化学成分见表1。Co粉末的粒径为2～5 μm，通过固相还原法制备。图1(a)展示了Inconel 718和Co粉末的微观结构SEM图像。添加到Inconel 718中的Co含量需要得到合理控制

晶格常数

构建的Ni₁₉Cr₆Fe₆Nb和Ni₁₈Cr₆Fe₆NbCo超胞模型经过几何优化，计算得到的平衡晶格常数见表3。根据计算结果，Co原子减少了Ni-Cr-Fe-Nb超胞的体积。合金元素原子对超胞体积的影响取决于原子半径及其相互作用。在Ni-Cr-Fe-Nb-Co超胞中，原子半径的大小顺序为r_Ni < r_Co < r_Fe < r_Cr < r_Nb

Nb偏析与Laves相形态

从3.2.1节可知，Co合金化降低了AM Inconel 718零件中Laves相的比例和尺寸，因此有必要进一步分析Inconel 718和IN-Co零件在AM过程中的Nb偏析行为及其对Laves相形态的影响。合金元素的平衡分配系数用于评估其在合金中的偏析倾向。

结论

本研究提出了一种通过Co合金化在原位抑制AM Inconel 718零件中Laves相形成的新方法。基于第一性原理计算，本研究阐明了Co如何影响Inconel 718 γ基体中的元素相互作用，并将这种热力学变化转化为增材制造过程中的微观结构演变，从而优化了零件的机械性能。可以得出以下结论：

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利益冲突声明

我们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

作者贡献声明

段晓明：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、数据管理。谢伟然：撰写——初稿、方法论、实验研究、数据分析、概念构思。杨晓东：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调

数据获取

本研究生成的数据集可向通讯作者索取。

利益冲突声明

我们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号：51875133、52375419）对本研究的财政支持。