增材制造IN718实现免后处理疲劳性能突破：原位加热与热处理协同优化研究

本研究针对激光粉末床熔融（LPBF）技术制备的IN718镍基高温合金存在的后处理需求及疲劳性能不足问题，系统探究了三种热处理方案（HT1-HT3）和原位加热工艺对材料微观结构与力学性能的调控机制。研究发现980°C固溶处理（HT1）显著提升硬度、拉伸强度和疲劳寿命，而500°C原位加热可实现优于后处理试样的延展性。该研究为通过工艺优化替代传统后处理提供了重要技术路径，对航空航天领域高性能构件制造具有重大工程意义。

　　

随着航空航天领域对高性能构件需求的不断提升，IN718镍基高温合金因其优异的高温强度、抗蠕变性和耐腐蚀性成为关键材料。传统锻造IN718虽具备成熟工艺体系，但面对复杂结构件制造时存在加工难度大、材料利用率低等局限。增材制造技术特别是激光粉末床熔融（LPBF）为实现复杂结构一体化成形提供了新途径，然而该技术固有的快速凝固特性导致材料存在显著各向异性、残余应力和微观缺陷，直接影响其疲劳性能。

目前LPBF制备IN718面临两大核心挑战：一是沉积态材料中强化相γ′（Ni₃Al）和γ″（Ni₃Nb）的缺失导致力学性能不足；二是后处理热处理虽能改善性能，但会引发晶粒粗化和δ相（Ni₃Nb）过度析出等新问题。更关键的是，传统后处理工艺增加了生产周期和成本，与增材制造的技术优势形成矛盾。因此，如何通过工艺创新实现材料性能优化同时避免后处理缺陷，成为当前研究的重点难点。

为系统解决这些问题，Abdalmageed Almotari等研究人员在《Journal of Alloys and Compounds》发表了最新研究成果。团队通过设计多组热处理方案并结合原位加热技术，深入解析了LPBF-IN718的微观组织演化规律与力学性能响应机制。研究采用三种热处理工艺：HT1（980±14°C/1h水淬）、HT2（1200°C/20min→980°C/20min水淬）和HT3（1270°C炉冷+固溶退火），所有试样均进行标准时效处理（720°C→620°C）。同时创新性地采用250°C和500°C原位加热平台进行对比研究。

关键技术方法包括：使用EOS M290设备制备水平/垂直取向试样；采用X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）分析相组成与微观结构；通过维氏硬度仪、电子万能试验机和高频疲劳试验机分别测试力学性能；利用长波红外相机（LWIR）监测熔池温度场；采用基恩士VHX-6000数码显微镜量化表面粗糙度。

研究结果揭示重要规律：

微观结构特征方面：XRD定量分析显示沉积态试样（HT0）中γ″相仅占6%，δ相为3.6%，完全缺失γ′相。HT1处理后γ′相增至4.4%，γ″相达9.1%，δ相显著升高至14.8%。HT2则呈现16.7%的γ′相和仅2.8%的δ相。SEM观察发现HT3试样中δ相呈粗大片层状析出，而HT1中δ相以细颗粒状均匀分布。

力学性能表现：HT1试样硬度达525HV，较沉积态提高60%；拉伸测试显示HT1使屈服强度平均提升480MPa，但延展性降低；HT2在强度-塑性协同性方面表现最佳；疲劳性能方面HT1试样寿命达1.5×10⁶循环周次，较沉积态提高3倍以上。

原位加热创新发现：500°C加热平台制备的试样表面粗糙度（Ra）显著降低，熔池形貌更加均匀；250°C加热试样拉伸强度达1100MPa，而500°C试样延展性提高至40mm/mm，展现出优于后处理试样的性能匹配性。

研究结论表明：980°C固溶处理（HT1）可通过优化γ″/γ′强化相比例和δ相形态使疲劳性能最大化；过高温度处理（HT3）会导致晶粒粗化和δ相过量析出，引发脆性断裂；原位加热技术在500°C时能同步改善表面质量和延展性，显示替代传统后处理的潜力。该研究为LPBF-IN718的成分-工艺-性能关系建立了完整数据库，为航空航天领域高性能构件制造提供了工艺优化指南和理论支撑。