激光粉末床熔融原位形成纳米碳化物增强Inconel 718高温合金的超强力学性能研究

本研究通过激光粉末床熔融(L-PBF)技术，在Inconel 718(IN718)高温合金中添加10 wt%纳米TiC颗粒，成功抑制脆性Laves相形成并原位析出多组分纳米碳化物(MC)。研究发现较低扫描速度(600 mm s-1)下，材料极限抗拉强度提升至1406.14 MPa，延伸率达7.52%，为镍基高温合金性能优化提供了新思路。

　　

在高温合金领域，Inconel 718(IN718)作为典型的镍基高温合金，因其优异的机械性能和耐腐蚀性被广泛应用于航空发动机、燃气轮机等关键部件。然而传统制造工艺中，IN718合金存在明显的性能瓶颈：一方面，快速凝固过程中易形成链状Laves相，这种脆性相会导致局部应力集中并增加开裂倾向；另一方面，激光粉末床熔融(L-PBF)工艺极高的冷却速率(10^4-8 K s^-1)虽然能细化析出相尺寸，却难以完全消除Laves相的有害拓扑结构。更棘手的是，常规微米级碳化物添加往往分布不均，在高能量密度下仅部分熔化，无法有效抑制Laves相析出。这些技术瓶颈严重制约了高性能镍基合金的开发与应用。

针对上述挑战，上海大学材料科学与工程学院Xinwei Pan、Tingwei Cao等研究团队在《Nano Materials Science》发表创新研究。研究人员采用热力学辅助合金设计思路，通过L-PBF技术将10 wt%纳米TiC颗粒与IN718粉末复合，系统探究了不同扫描速度(600-800 mm s^-1)对材料微观结构和力学性能的影响。研究突破性地实现了多组分纳米碳化物的原位形成，同时完全抑制了Laves相的析出，为高性能镍基高温合金的制备提供了全新解决方案。

研究团队采用多项关键技术方法：通过Thermo-Calc软件进行非平衡凝固行为模拟，确定最佳TiC添加量；采用行星式球磨法制备10 wt% TiC/IN718复合粉末；使用激光功率260 W、层厚20 μm的L-PBF设备制备样品；通过SEM、EBSD、TEM和XRD等多尺度表征手段分析微观结构；采用Instron 5565力学试验机进行室温拉伸测试。特别值得注意的是，研究选用了相对较高的体积能量密度(232-310 J mm^-3)，显著高于常规IN718合金的加工参数，确保纳米TiC颗粒完全熔解和反应。

3.1 相对密度分析显示，在600 mm s^-1扫描速度下，样品相对密度高达99.93%，证实工艺参数的有效性。3.2 物相组成研究表明，所有样品均检测到γ相和MC型碳化物，且S600样品的MC碳化物含量最高(20.43 wt%)，XRD Rietveld分析验证了热力学计算结果。3.3 微观结构分析获得三项重要发现：首先，SEM观察发现碳化物呈非均匀分布，熔池中心富集亚微米级碳化物(>100 nm)，边界区域则以纳米碳化物(≤100 nm)为主；其次，TEM证实这些碳化物富含Nb、Mo、Ti元素，与基体形成冶金结合，EDS线扫显示存在约10-50 nm的元素过渡层；最后，EBSD分析显示材料主要呈现柱状晶结构，添加TiC使晶粒尺寸细化至约22.12 μm，显著低于纯IN718的40 μm。3.4 力学性能测试表明，S600样品展现出最优异的综合性能：屈服强度1115.89 MPa，极限抗拉强度1406.14 MPa，延伸率7.52%，硬度达393.8 HV_0.2，性能指标显著优于已报道的镍基复合材料。

讨论部分深入揭示了性能增强机制。4.1 碳化物形成机理方面，COMSOL模拟显示熔池中心温度可达3500K，超过TiC熔点(3430K)，确保完全熔解；Marangoni流动导致碳化物在熔池中心富集并外延生长，而边界区域快速冷却保留了纳米碳化物原始形貌。4.2 力学性能强化机制包含四重贡献：位错强化(Δσ=607 MPa)源于CTE差异引起的位错增殖；细晶强化(Δσ=259 MPa)通过Hall-Petch效应实现；Orowan强化(Δσ=172 MPa)来自纳米颗粒对位错的钉扎；载荷传递强化(Δσ=115 MPa)则得益于界面冶金结合。特别重要的是，亚微米碳化物与纳米碳化物形成的层级结构产生协同强化效果，而完全消除的Laves相则避免了脆性相的危害。

这项研究通过创新的"纳米碳化物原位形成"策略，成功解决了镍基高温合金中Laves相控制的难题。其科学价值体现在三个方面：首先，证实10 wt%纳米TiC添加可完全抑制Laves相，突破了传统微米级添加物的局限；其次，阐明了L-PBF工艺参数-微观结构-力学性能的定量关系，为工艺优化提供理论指导；最后，开发的IN718/TiC纳米复合材料展现出卓越的强塑性匹配，极限强度较常规IN718提升48.5%，为航空航天关键部件的性能提升开辟了新途径。该研究不仅为镍基高温合金的微观结构设计提供了新范式，也展示了L-PBF技术在金属基复合材料制备中的独特优势。