热辅助焊接（WLSP）在IN718超级合金中表现出显著的高温强化效应，这一效应源于有序相的最佳微观结构

《Materials Science and Engineering: A》：Significant high-temperature strengthening effect of thermal-assisted WLSP originating from optimal microstructures of ordered phases for IN718 superalloy

激光冲击强化和温激光冲击强化对IN718合金微观结构与高温强化机制的影响研究表明，WLSP相比LSP在细化晶粒、调控析出相界面及残余压应力方面更具优势，其高温强化效果可持续至650℃，主要归因于γ''相内形成的堆垛层错与微孪晶亚结构及界面热失配应力（约58.36 MPa）。

　　

刘梦雅|刘阳|王磊|段然|杨凯月|宋秀|余腾

材料各向异性与织构国家重点实验室（教育部），东北大学材料科学与工程学院，沈阳，110819，中国

摘要：

激光冲击强化（LSP）和温激光冲击强化（WLSP）等严重塑性变形（SPD）技术已被用于细化超合金的微观结构并提高其机械性能。本文系统研究了WLSP和LSP对沉淀强化IN718合金的强化效果及微观结构演变的影响，并进行了比较。结果表明，与LSP相比，WLSP在强化效果、亚结构控制以及残余压缩应力提升方面表现出更积极的效果。此外，即使在600和650 °C下，WLSP的强化效果仍然显著，这得益于形成了由高密度位错包围的γ′′相中的堆垛缺陷（SFs）和微孪晶（MTs）构成的最佳微观结构，以及γ″/γ界面处的热失配应力。γ″/γ界面的热失配应力约为58.36 MPa，该应力由WLSP过程中的温度差异和异质界面的热膨胀系数（CTE）差异引起。WLSP诱导的最佳微观结构不仅提供了额外的强度增益，还延缓了γ′′相附近高密度位错的重组和演变，从而在650 °C以下保持了更稳定的强化效果。本研究提出了通过热辅助SPD方法在纳米尺度有序沉淀物中原位诱导最佳微观结构的强化机制，为超合金关键转子部件的表面高温强化提供了新的思路。

引言

镍基锻造超合金在广泛的温度范围内表现出优异的强度、抗疲劳性和表面稳定性[1]，[2]，因此被广泛应用于航空、航天、能源电力等领域[3]作为关键热部件[3]。IN718超合金采用D0₂₂体心四方（bct）结构的γ′′(Ni₃Nb)相作为主导的相干界面强化模式，并得到L1₂面心立方（fcc）结构的γ′ (Ni₃(Al, Ti))相的辅助，这是其优异高温性能的关键[4]。表层组件的显著且稳定的高温强化效果对于转子在高温和循环载荷下的长期服役至关重要[5]，因此超合金研发机构和发动机制造商一直致力于沉淀强化锻造超合金的表面强化技术的研究[5]。

在当前与结构材料相关的表面强化技术中，LSP已被证明是有效的[6]。在爆炸产生的高速等离子体冲击波作用下，近表面层形成了高密度位错和变形孪晶，从而实现了显著的强化效果。同时，LSP还在近表面层产生了正的残余压缩应力（RCS）[7]。现有研究表明，超高应变率（>10⁶ s^?1）引起的GPa级冲击压力通过加工硬化和晶粒细化显著增强了合金的性能[8]，相比传统的表面强化技术（如超声冲击强化，约300 μm深度）[9]，LSP能够形成更深的硬化层。程的研究团队提出的WLSP是一种有前景的表面强化处理方法[10]，它结合了超高应变率、高压和温度场，显示出比室温（RT）下LSP更显著的强化效果和抗循环载荷能力[10]。

近年来，已有报道指出LSP和WLSP对超合金表面强化和抗疲劳性的积极影响[11]，[12]。对于含有高体积分数（约30-55%）有序相的沉淀强化超合金，LSP和WLSP过程中有序相和异质界面都容易发生强烈的非平衡演变[13]。一些研究者还发现，WLSP在高温下的强化效果比LSP更为稳定[12]。WLSP在高温下引发显著强度增强的机制是一个值得深入思考和探索的问题，尤其是对于沉淀强化超合金而言。

硬化层中高密度位错与有序相之间的依赖性直接影响高温强化效果。在高压冲击波作用下，大量纳米尺度的相和高密度缺陷会发生剧烈相互作用[11]。需要注意的是，由于位错反应和亚结构的重组，高位错密度和亚结构带来的强化贡献在高温下会显著减弱甚至消失[14]。然而，现有关于沉淀强化超合金WLSP的研究中，“位错密度、亚晶界和孪晶密度显著增加”的机制仍不明确[12]，[15]。

在本研究中，IN718超合金分别经过LSP和WLSP处理。通过多尺度表征了沿冲击方向的微观结构，特别关注了γ″/γ界面处的局部应变分布。系统分析了室温（RT）和高温下的显微硬度分布、RCS分布及机械性能差异，并揭示了微观结构演变与强化效果之间的相关性。此外，还定量分析了不同强化机制带来的强度增益。进一步阐明了WLSP在高温下显著且稳定强化效果的微观机制，为通过WLSP控制IN718合金中的有序相界面提供了实验依据和理论基础。

材料

本研究中使用的IN718超合金（名义成分（重量百分比）为：Ni 52.50%，Cr 19.25%，Nb 4.93%，Mo 2.98%，Al 2.98%，Ti 1.10%，C 0.059%，S 0.001%，P 0.001%，B 0.001%，Fe平衡）采用真空感应熔炼（VIM）和真空电弧重熔（VAR）相结合的双真空熔炼工艺制备，以提纯合金。随后进行均匀化处理（1200 °C/4 h/AC）、热锻造和热轧，最终获得4毫米厚的板材

具有梯度分布的硬化层微观结构

经过双时效处理后，IN718合金由基体γ相、γ″相、γ′相以及少量分布在晶界处的δ相组成，如图2所示。平均晶粒尺寸为48.48 ± 14.94 μm，晶内观察到一些退火孪晶（图2b，c）。IN718合金的主要强化相为盘状γ″相（图2d-g）。

经过LSP和WLSP处理后，IN718合金的微观结构发生了显著变化。图3详细展示了这些变化

WLSP处理后硬化层中含堆垛缺陷（SFs）和微孪晶（MTs）的γ′′相特性

高压冲击过程中的缺陷运动和微观结构演变直接影响金属材料在室温和高温下的机械性能[20]。在高应变场下容易形成复杂的亚结构[21]，本研究也证实了这一点。观察到WLSP处理后，γ′′相/高密度位错复合亚结构在γ基体中均匀分布（图4）。图7展示了γ′′/γ界面的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像

结论

在本研究中，对LSP处理和WLSP处理的IN718超合金分别在室温（RT）、600 °C和650 °C下进行了单轴拉伸试验。研究了LSP和WLSP处理后硬化层的显微硬度分布、RCS分布及微观结构演变，并进行了比较。揭示了WLSP后显著且稳定强化效果的微观机制。可得出以下主要结论：

(1)

IN718超合金在室温下的抗拉强度（YS）和抗断裂强度（UTS）得到提升

作者贡献声明

宋秀：撰写 – 审稿与编辑。段然：撰写 – 审稿与编辑。杨凯月：撰写 – 审稿与编辑、验证。刘梦雅：撰写 – 初稿撰写、可视化、方法论设计、数据整理、概念构建。刘阳：撰写 – 审稿与编辑、验证、项目管理、资金申请、概念构建。王磊：资源协调、实验设计、数据整理。余腾：撰写 – 审稿与编辑

数据获取

相关数据可向通讯作者索取。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52371096）和国家重点研发计划（项目编号：2022YFB3705101、2022YFB3705102）的支持。