背景简介

镍基合金Inconel 718（IN718）因其优异的蠕变、疲劳强度及抗氧化性能，广泛应用于航空发动机热端和工业燃气轮机等高温部件；然而，通过电子束粉末床熔融制造所得部件，其固有的柱状晶结构虽有利于高温性能，但缺乏对后热处理工艺，尤其是晶界δ相沉淀的优化研究。传统IN718主要依靠γ′/γ″相（Ni₃Nb）析出强化，且在650°C以上易转变为δ相。但δ相过量会消耗基体中的Nb元素，削弱基体强度。本文旨在探讨不同后热处理工艺（HT1：促进晶界δ相；HT2：消除晶界δ相）对电子束粉末床熔化制备IN718在室温及650°C下拉伸和蠕变性能的影响，以揭示晶界δ相对高温力学行为的作用机制。

成果介绍

（1）本文讨论了三种不同的后处理工艺对拉伸和蠕变性能的影响，具体的后处理工艺见表1。对As-Printed（AP）、HT1和HT2试样，在室温及650°C条件下进行了单调拉伸试验，并结合晶体塑性模拟，拟合由单轴拉伸获得的应力–应变曲线，以获取不同后处理样品的初始滑移阻力及硬化速率。发现HT2样品表现出最高的初始滑移阻力和应变硬化率，这符合拉伸结果中HT2试样在室温和650°C均表现出最高的屈服强度和应变硬化速率，表明该工艺能够使材料在保留γ′/γ″相析出强化的同时，获得较高的延性和强度。具体拉伸结果见图1。

表1 本文讨论的后处理工艺的具体流程

图1 电子束粉末床熔融IN718在室温和650°C下的机械性能：（a）AP、HT1、HT2 试样的真应力-真应变曲线；（b）应变硬化速率与真应变的关系；（c）加工硬化阶段的真应力-真应变曲线放大图；（d）进一步放大的细节图，显示了650 °C下观察到的锯齿状特征

（2）在650°C的拉伸曲线中（图1c和1d），仅AP和HT1试样出现明显的应力波动（Portevin–Le Chatelier效应），这主要归因于基体中Nb固溶原子，晶界碳化物或δ相等析出物对位错运动的时效抑制作用强烈；而HT2试样由于Nb被大量γ″相消耗（图2），因此未见显著的应力波动现象。

图2 不同后处理状态下电子束粉末床熔融IN718的微观组织结果：（a）AP状态；（b）HT1状态；（c）HT2状态

（3）由不同后处理状态样品于不同温度拉伸测试后的电子背散射衍射获得的核平均取向差Kernel Average Misorientation (KAM) 图（图3）可知，HT1试样在室温及650°C下均未在晶界处出现显著应变集中，体现出变形集中分布于晶内的特征。同时在晶界处δ相附近可观察到连续的滑移线，表明δ相在一定程度上对晶界滑移存在阻碍作用。而HT2试样整体上变形分布更加均匀，晶界和晶内均可发现高变形区域。

图3 拉伸变形后电子束粉末床熔融IN718的核平均取向差图：（a）AP、（b）HT1和（c）HT2试样在室温拉伸后的结果;（d）AP、（e）HT1和（f）HT2试样在650°C下的相应结果

（4）650°C、600 MPa条件下进行的压缩蠕变试验结果（图4）显示，HT1试样累积0.6 %蠕变应变约需200 h，而HT2试样仅需20 h；稳态蠕变速率分别为2×10^-10 s^-1和5×10^-8 s^-1，相差两个量级。这一显著差异主要归因于HT1试样晶界处析出的细小且分散的粒状δ相（图5），有效抑制了晶界滑移与微孔洞萌生，从而显著提升了高温蠕变抗力。

图4 电子束粉末床熔融IN718在650°C和600 MPa下的蠕变行为：（a）HT1和HT2后处理状态下的工程蠕变应变与时间曲线；（b）应变率与（1 -工程应变）的对数图，以及1 %蠕变应变下相应的稳态应变率

图5 针状和颗粒状的δ相在无析出区上的差别及其抗蠕变性能差异的机理解释图

致谢

作者衷心感谢印度班加罗尔 IISc 的电子显微镜和微观分析高级机构（AFMM）提供微观表征支持。特别感谢 Kantharaj 先生在机械性能测试期间提供的宝贵帮助。RJV 要感谢本科生 Gokulnath 先生、硕士生 Bhaskarjyothi Das 先生和博士后研究员 Anindya Das 博士在进行各种试验中做出的贡献。本文第一作者：R.J. Vikram（Indian Institute of Science），本文通讯作者：Satyam Suwas（Indian Institute of Science）。

本期小编 董乃健（整理）

周子尧（校对）

  舒　阳  （审核）

董乃健（发布）