摘要：Inconel 718合金因其优异的抗氧化性、抗蠕变性和良好的疲劳寿命，在航空发动机、燃气轮机和核反应堆等高性能部件中具有关键应用。近年来，激光熔覆技术因其高冶金结合强度、可控热影响区和环境友好性，成为Inconel 718部件表面改性和修复的重要方法。然而，

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研究背景

Inconel 718合金因其优异的抗氧化性、抗蠕变性和良好的疲劳寿命，在航空发动机、燃气轮机和核反应堆等高性能部件中具有关键应用。近年来，激光熔覆技术因其高冶金结合强度、可控热影响区和环境友好性，成为Inconel 718部件表面改性和修复的重要方法。然而，激光熔覆过程中快速凝固导致的粗大柱状晶组织会引发各向异性问题，同时不可避免的微观偏析会形成脆性Laves相，严重影响材料性能。虽然高温固溶热处理可消除Laves相，但会导致基体性能退化。

近年来，外场辅助能量（如超声振动）通过空化和声流效应，在细化晶粒和减少元素偏析方面展现出显著优势。研究表明，超声振动能有效促进柱状晶向等轴晶转变，并降低Laves相的含量和尺寸。然而，超声辅助激光熔覆过程中晶粒和Laves相的分布特征及演变机制仍需深入研究，这对调控Inconel 718的微观组织至关重要。

浙江工业大学同凯尔采理工大学在材料科学领域期刊Journal of Materials Research and Technology上发表了题为"Grain refinement and Laves phase dispersion by high-intensity ultrasonic vibration in laser cladding of Inconel 718"的研究成果。本研究采用高强度超声振动辅助Inconel 718激光熔覆技术，系统研究了晶粒组织与Laves相的演变规律。重点分析了超声功率对枝晶微观结构和晶粒特征的影响，探究了高强度超声振动作用下Laves相的分布形态转变、形貌演化及元素含量变化特征。在此基础上，进一步深入探讨了高强度超声振动场中晶粒与Laves相的协同演变机制。

No.2

论文图片

图1. 实验装置和材料：(a) 实验装置示意图；(b) 基底；(c) 丝材

图2. 熔覆层的宏观形貌及横截面与纵截面：无超声（a1-a3）；2000 W超声（b1-b3），3000 W超声（c1-c3），4000 W超声（d1-d3）

图3. 熔覆层的枝晶微观结构：无超声（a1-a3）；2000 W超声（b1-b3），3000 W超声（c1-c3），4000 W超声（d1-d3）

图4. 通过EBSD获得的横截面的IPF图和晶界图：无超声（a）；2000 W超声（b），3000 W超声（c），4000 W超声（d）

图5. 微观结构特征的定量测量：(a) 晶粒尺寸；(b) 晶粒纵横比

图6. {001}、{110}和{111}晶面族的极图，以均匀分布的倍数（MUD）表示：无超声（a）；2000 W超声（b），3000 W超声（c），4000 W超声（d）

图7. 有无超声振动时Laves相的体积分数

图8. 有无超声振动时Laves相的形貌：无超声（a）；2000 W超声（b），3000 W超声（c），4000 W超声（d）

图9. Laves相分布行为的变异系数：无超声（a）；2000 W超声（b），3000 W超声（c），4000 W超声（d）；定量测量（e）

图10. 熔覆层的EDS点谱分析：无超声（a）和有超声（b）的点位置；Nb和Mo含量的比较（c）

图11. 熔覆层的EDS线谱分析：无超声（a）和有超声（b）的线位置；无超声（c）和有超声（d）的元素含量分布

图12. 有无超声振动的熔覆层的显微硬度

图13. 有无超声振动时Laves相演变的示意图

图14. 冷却率与初生枝晶间距的关系：无超声（a）；2000 W超声（b），3000 W超声（c），4000 W超声（d）；定量测量（e）

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关键结论

本研究探讨了高强度超声振动辅助激光熔覆过程中晶粒特征和Laves相演变的情况。通过有无高强度超声振动的激光熔覆实验，揭示了其带来的益处。粗大的柱状枝晶被细化为细小的等轴枝晶。此外，随着超声功率分别为2000 W、3000 W和4000 W，晶粒尺寸分别减少了15.9%、17.2%和35.4%。

此外，高强度超声振动的应用使得Laves相达到均匀且分散的细小颗粒状形态。Laves相的体积分数从7.0%降至4.7%、3.9%和3.7%，分别对应2000 W、3000 W和4000 W的超声功率。样品的平均显微硬度分别增加了1.9%、3.4%和6.4%，对应2000 W、3000 W和4000 W的超声功率。晶粒细化的主要来源归因于空化和声流的联合作用。高强度超声振动被证明是提高Inconel 718部件性能的有效方法。

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通讯作者

姚建华，教授，博导，浙江省特级专家，现任浙江工业大学机械工程学院院长、激光先进制造研究院院长、数字化制造国家级现代产业学院院长，高端激光制造装备省部共建协同创新中心（国家2011计划）主任，激光绿色制造技术创新引智基地（国家111计划）负责人，高端装备激光再制造浙江省工程研究中心主任，浙江省激光绿色制造技术国际科技合作基地负责人。入选国家百千万人才工程、浙江省首批万人计划杰出人才、浙江省151人才工程第一层次，获得“国家有突出贡献中青年专家”、“周志宏科技成就奖”、“浙江省有突出贡献中青年专家”、“浙江省高校优秀教师”、“浙江省师德楷模”、“浙江省高校创先争优优秀共产党员”等荣誉，享受政府特殊津贴，国家重点研发计划首席科学家。曾留学美国密歇根大学、英国剑桥大学和美国内布拉斯加林肯大学。

长期致力于激光智能制造与增材制造技术的研究。先后主持国家重点研发计划项目、国家基金重点项目、国家基金-两化融合联合基金、国家重点国际科技合作项目等纵向项目20余项，企业合作项目100余项。在国内外期刊上发表学术论文400余篇，SCI/EI收录300余篇，出版专著4部，主编高等专业教材8部，授权发明专利80余项。作为第一完成人，获得国家科技进步二等奖1项，浙江省科技一等奖3项、二等奖1项、三等奖1项，中国机械工业科技一等奖2项、二等奖1项，中国专利优秀奖、浙江省首届专利金奖各1项；获得国家级教学成果二等奖1项、浙江省教学成果一等奖2项。研究成果已大量应用于航空航天、能源动力、钢铁石化、轨道交通等高端装备领域核心部件的制造中，为装备制造业的技术升级做出了重要贡献。

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论文引用

Jian Chen, Zhehe Yao, Fabo Wang, Yiming Chi, Zhen Wang, Szymon Tofil, Jianhua Yao. Grain refinement and Laves phase dispersion by high-intensity ultrasonic vibration in laser cladding of Inconel 718:Journal of Materials Research and Technology30(2024)8563-8575

DOI:https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.05.229

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来源：江苏激光联盟