通过添加CeO，在IN718超级合金的激光金属沉积过程中形成了具有<100>优先取向的完全柱状晶粒

《Materials Science and Engineering: A》：Formation of fully columnar grains with <100> preferential orientation in IN718 superalloy laser metal deposition via CeO 2 addition

CeO?添加调控IN718激光熔覆柱状晶形成及力学性能研究，通过0.4-1.2 wt% CeO?优化实现近全致密化与<001>取向柱状晶，0.8 wt%时强度877.77 MPa，延伸率35.25%提升3.75%，抑制裂纹形成并揭示最大过冷控制生长机制。

　　

孙淼|王磊|郭文华|张建勋|卢炳恒

西安交通大学未来技术学院，中国西安，710049

摘要

IN718超合金是航空航天发动机中高温结构部件的关键材料，其服役性能从根本上受到其晶粒结构的影响。增材制造技术有潜力获得具有优选取向的完全柱状晶粒，从而能够为特定工程应用设计和快速制造定向结构部件。因此，调控柱状晶粒微观结构一直受到持续的研究关注。本研究首次系统地探讨了CeO₂添加对激光金属沉积（LMD）制备的IN718超合金微观结构和性能的影响，并揭示了CeO₂促进完全柱状晶粒形成的机制。工业CT量化分析表明，当CeO₂含量为0.4-1.2 wt%时，缺陷含量显著减少，接近完全致密化；然而，过量添加（1.6 wt%）会导致裂纹形成。金相和EBSD分析证实，CeO₂使晶粒从随机取向转变为具有<001>优先取向的完全柱状结构。关键机制是CeO₂降低了凝固速率，在沉积方向上产生了最大的过冷度，促进了柱状晶粒的定向生长，最终形成了<001>取向的完全柱状结构，极密度为17.91。添加0.8 wt% CeO₂的复合材料在XOY平面上实现了最佳的强度-延展性协同效应，其抗拉强度为877.77 MPa，屈服强度为609.03 MPa，伸长率为35.25%。与未经改性的IN718合金相比，这些力学性能分别提高了32.37 MPa的抗拉强度、95.91 MPa的屈服强度和3.75%的伸长率。在YOZ平面上，复合材料的伸长率提高了8%（从103.97%增加到112.36%），同时保持了较高的强度，强度损失小于30 MPa。这项工作为IN718合金微观结构的精确控制提供了技术见解，同时也支持了其高效制造和修复工艺。

引言

作为代表性的锻造镍基盘状超合金，IN718广泛应用于制造关键的高温部件，主要包括航空发动机涡轮盘和压气机盘，以及压气机转子叶片、涡轮轴和涡轮壳体[[1], [2], [3]]。这归功于其优异的高温力学性能、稳定的蠕变抗力，以及强抗高温氧化和腐蚀能力，长期使用温度可达650°C，短期耐受温度约为700°C[[4], [5], [6]]。然而，在长期的高温循环服役过程中，这些部件会受到热疲劳应力、高速气流侵蚀和磨损以及高温气体腐蚀的协同作用[[7,8]]。因此，容易产生表面缺陷，如微裂纹、局部剥落和氧化损伤，这直接导致力学性能下降和使用寿命显著缩短[[9]]。这不仅增加了设备的运行和维护成本，还可能造成严重的安全隐患。

激光熔覆技术作为一种先进的表面修复和改性技术，具有精确控制热输入、熔覆层与基材之间的冶金结合以及可调节涂层成分和厚度的显著优势[[10,11]]。它可以在受损部件表面快速制备出具有匹配性能的修复层，因此被广泛认为是修复定向凝固IN718合金部件的核心技术方法之一[[12,13]]。对于定向凝固部件的修复，熔覆层微观结构与基材的定向凝固微观结构之间的结构兼容性对于确定修复质量至关重要。理想的熔覆层应在<001>方向上形成具有优选取向的柱状晶粒，并且这种取向应贯穿多层。由于优选的<001>晶体凝固方向与最小杨氏模量一致，并且平行于部件轴线，因此可以最小化发动机启动和关闭过程中的热应力，从而显著提高涡轮热气道部件的热疲劳抗力[[14]]。然而，在传统的IN718合金激光熔覆过程中，熔池中存在显著的随机成核现象[[15]]。在激光熔覆过程中，熔池不同位置的温差和冷却速率存在较大差异，导致形成了柱状晶粒与等轴晶粒混合的异质微观结构。目前，增材制造IN718超合金微观结构调控的研究主要集中在促进从柱状晶粒向等轴晶粒的转变，从而减轻材料各向异性。在工艺参数优化方面，通过准确调整激光功率和扫描速度等关键参数，可以有效改变熔池的热循环状态和冷却速率，优化凝固过程，并促进柱状到等轴的转变（CET）[[16,17]]。在成分设计方面，通常添加陶瓷颗粒作为异质成核核心，利用颗粒诱导的成核效应来实现晶粒细化[[18,19]]。此外，外部场辅助技术也成为重要的调控途径。研究人员引入外部场（如超声波[[20]]和磁场）来干预熔池中熔融金属的流动和凝固行为，从而实现晶粒细化和微观结构改善[[21,22]]。值得注意的是，当前的研究主要集中在抑制柱状晶粒和促进等轴晶粒的形成，而关于在激光熔覆过程中形成具有优选取向的完全柱状晶粒结构的特殊调控的研究相对较少。对于通过定向凝固制造的铸件，等轴晶粒通常被视为缺陷[[23]]。总之，利用激光熔覆实现优先取向的柱状晶粒的外延生长对于修复定向凝固的超合金叶片和其他部件具有重要意义，同时也为定向结构部件的制造开辟了新途径。

在本研究中，通过在IN718合金粉末表面涂覆CeO₂并在激光熔覆过程中控制层间温度，显著抑制了随机取向的柱状晶粒的生长。最终，在熔覆层中成功实现了沿<001>方向具有优选取向的完全柱状晶粒结构，并贯穿了多层。值得注意的是，这种定向微观结构的形成表明了一种超越传统解释的调控机制，其内在形成机制仍不清楚。基于此，本研究重点探讨了CeO₂添加对CeO₂/IN718复合材料微观结构和性能的影响，并揭示了激光熔覆过程中其定向结构的形成机制，旨在为定向凝固IN718部件的修复和需要定向结构的部件的制造提供理论支持和技术参考。

部分摘录

粉末制备

实验用粉末包括气雾化IN718粉末（由北京宝航新材料有限公司提供）和CeO₂颗粒，如图1(a)和(b)所示。IN718粉末的粒径范围为15-53 μm，而CeO₂粉末的粒径小于20 μm，纯度高达99.99%。在本研究中，复合粉末的组成为x wt.%CeO₂/IN718，其中x分别取值为0、0.4、0.8、1.2和1.6。

通过LC分析样品的密度和相组成变化

如图3所示，对x%CeO₂/IN718样品（4 × 4 × 8 mm）的CT分析表明，未经改性的IN718合金含有大量气孔缺陷，缺陷体积分数为0.09‰，平均球形度为0.636，平均直径为70.323 μm。添加CeO₂后，缺陷体积分数显著降低至0.01‰，而平均孔径增加到103.029 μm。

结论

本研究探讨了CeO₂含量对x%CeO₂/IN718合金的致密化、相组成、微观结构和拉伸性能各向异性的影响。根据获得的结果和讨论，可以得出以下关键结论：

(1)

CeO₂的添加显著改善了激光金属沉积制备的IN718超合金的致密化和微观结构完整性。当CeO₂含量为0.4-1.2 wt%时，缺陷含量显著减少，接近完全致密化

CRediT作者贡献声明

孙淼：撰写——原始草案，可视化，方法论，数据管理。王磊：研究。郭文华：方法论。张建勋：项目管理。卢炳恒：监督。

利益冲突声明

我们声明与任何可能不恰当地影响我们工作的人或组织没有财务和个人关系，对于任何可能影响本文所述观点或手稿评审的产品、服务和/或公司，我们没有任何专业或其他形式的个人利益。

致谢

本研究得到了西安科技项目——关键产业链技术突破项目（项目编号：2025JH-ZDLYB-0005）的支持。作者还感谢中国留学基金委（项目编号：202406280442）提供的财务支持。