西安交通大学の黄克教授の研究グループ：積層造形法を用いたインコネル718超合金の高強度および塑性熱処理を制御する新しいシステム

西安交通大学の黄克教授の研究グループ：積層造形法を用いたインコネル718超合金の高強度および塑性熱処理を制御する新しいシステム
第一著者: 周有 責任著者: 黄柯 責任部署: 西安交通大学 出典: 材料科学技術 [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)] [色=rgba(0, 0, 0, 0.9)]
DOI: 10.1016/j.jmst.2024.03.008

本論文では、レーザー指向性エネルギー堆積法で修復したインコネル718高温合金の領域横断的な微細構造と機械的特性の制御に関する研究を行った。初めて、低温、短時間の均質化とそれに続く時効処理という新しい熱処理システムが提案され、修復された合金を強化し、修復領域のラーベス共晶相を溶解し、領域全体にγ"強化相の均一な析出を実現します。従来の直接時効処理で処理された修復合金と比較して、新しいシステムで処理した後のサンプルの伸びは、高い降伏強度を維持しながらほぼ2倍になります。これは、析出強化合金修復部品の後処理システムの設計に理論的ガイダンスとデータサポートを提供します。
背景 航空、エネルギーなどの分野で広く使用されている高付加価値のインコネル718高温合金部品は、過酷な使用環境により故障することがよくあります。損傷した部品の高品質な修理を実現することは、業界のコスト削減と効率向上を促進する上で非常に重要です。鍛造ベースの過熱を回避するために、業界では現在、インコネル718高温合金修理部品に直接時効処理を施すことが一般的です。しかし、これにより、修復された領域に硬くて脆いラーベス相が残留し、修復された部分の可塑性、靭性、疲労耐性が著しく低下します。この点に関して、当研究チームは、レーザー指向性エネルギー堆積法で形成された修復領域は非平衡急速凝固構造の特徴を有し、修復領域のデンドライト間のラーベス相のサイズと含有量は、鋳造と溶接で形成されたインコネル718高温合金のものよりもはるかに小さいことを発見しました。したがって、理論的には、鍛造ベース粒子の深刻な粗大化を回避しながら、修復領域でラーベス相の溶解を達成できる熱処理プロセスウィンドウが存在します。この点に関して、本研究では、低温、短時間の均質化とそれに続く時効処理という新しい熱処理システムを提案し、新しいシステム下で修復された合金の領域横断的な微細構造と機械的特性の進化メカニズムを研究し、ハイエンド機器部品の修復分野における積層造形のエンジニアリング応用を促進します。

この記事のハイライト<br /> 西安交通大学の呂炳恒院士チームの黄克教授らは、付加的に修復されたインコネル718耐熱合金の微細構造と特性を調整するために、低温、短時間の均質化とそれに続く時効という新しい熱処理システムを提案した。研究の結果、低温短時間均質化処理により、修復エリアの残留鎖状ラーベス相を効果的に溶解しながら、鍛造基板の等軸微粒子の著しい粗大化を回避でき、その後の時効処理によりγ"相の全体的析出をさらに実現できることがわかった。硬くて脆い共晶相の溶解と強化相の分散析出により、新処理後の修復合金は相構造の領域間均一分布を実現し、修復エリア、基板、熱影響部のひずみ調整能力が向上します。新処理後の添加剤修復合金の優れた強度と延性により、極度の負荷条件下での部品の使用安全性が大幅に向上し、部品の残存寿命が延びます。関連する研究結果は、「レーザー指向性エネルギー堆積修復IN718超合金の強度と延性を新しいテーラーメイド熱処理で強化」というタイトルで「Journal of Materials Science & Technology」に掲載されました。

グラフィカル分析

図 1 (a) 低温短時間均質化処理とそれに続くエイジング処理による新しい熱処理システムの概略図、(b) 異なる均質化時間での後続処理後の修復領域と基板の微小硬度の変化。
図2 異なる時間にわたる均質化処理後の修復合金の微細構造の変化：（a1-a6）修復領域のラーベス相の形態、（b1-b6）鍛造ベースの粒径。
図 3 異なる期間の均質化処理後の修復領域におけるラーベス相のサイズ、分率の変化、および基板の粒径の変化の統計。
図4 修復合金界面の領域横断的微細構造のEBSD-IPF/KAM画像：（a1、a2）堆積したままの修復合金、（b1、b2）直接時効処理した修復合金、（c1、c2）新システム熱処理修復合金。（d）修復合金堆積領域と基底極点図。（e）修復合金の特徴領域の粒径統計。（f）修復合金の特徴領域のKAM値。
図5 修復合金の修復領域/熱影響部/基板の領域横断的微細構造のFE-SEM画像：（a1-a4）堆積したままの修復合金、（b1-b4）直接時効処理した修復合金、（c1-c4）新システム熱処理修復合金。
図6 未処理/直接時効処理/新システム熱処理サンプルの室温工学応力-ひずみ曲線：（a）鍛造基板、（b）修復領域、（c）修復合金、（d）実際の破壊サンプル。
図7 室温引張サンプルの破壊構造: (a1-a3) 堆積したままの修復合金、(b1-b3) 直接時効処理した修復合金、(c1-c3) 修復領域で破壊した新しい熱処理を施した修復合金、および(d1-d3) 界面直下の等軸結晶領域で破壊した新しい熱処理を施した修復合金。
図 8 室温引張サンプルの断面の微細構造: (a1-a3) 堆積したままの修復合金、(b1-b3) 直接時効処理した修復合金、(c1-c3) 修復領域で破損した新しい熱処理修復合金、(d1-d3) 界面直下の等軸結晶領域で破損した新しい熱処理修復合金。
図 9 新しい熱処理方式で修復された破損したインコネル 718 超合金サンプルの界面全体の微細構造の進化: (a) IPF 図、(b) KAM 図、(c) 界面上の柱状結晶の FIB 切断位置、(d) 界面下の等軸結晶の FIB 切断位置、(ef) 柱状結晶内の転位構成、(gh) 等軸結晶内の転位構成。
図10 修復されたインコネル718耐熱合金の室温引張変形中のひずみ場の進化：（a）堆積修復合金、（b）直接時効処理修復合金、（c）新システム熱処理修復合金、（d）各サンプルの堆積領域、熱影響部、基板のひずみ比分布。
図11 修復されたインコネル718耐熱合金の強度と塑性の進化メカニズムの模式図：（a）直接時効処理によって修復された合金、（b）新しい熱処理システムによって修復された合金。
要約と展望<br /> 使用中のインコネル718耐熱合金は、直接時効処理/溶接補修後に十分な強度を有するが可塑性が悪いという業界の問題を解決するために、低温、短時間の均質化とその後の時効という新しい熱処理システムを初めて提案し、新しい熱処理と従来の熱処理後にレーザー指向性エネルギー堆積によって補修されたインコネル718耐熱合金の微細構造と特性を体系的に研究しました。 OM/FE-SEM/EBSD/TEM などの特性評価技術を組み合わせて、修復領域/熱影響部/基板全体の不均一な結晶粒構造と相構造の進化メカニズムを比較し、分析しました。結果は、新しい処理後の修復領域でのLaves相の溶解により、合金の早期破損のリスクが大幅に回避されたことを示しています。同時に、領域間分散および均一に分布したγ "相は、析出強化効果を十分に保証し、領域間のひずみ調整能力を向上させます。直接時効処理された修復合金と比較して、新しい処理システムで処理された修復合金の伸びは、強度が変わらないという前提で1倍しか増加せず、総合性能も鍛造合金の基準を超えています。今後、チームは、付加的に修復されたインコネル718高温合金の疲労や衝撃などの主要な使用特性について詳細なテストと評価を実施し、関連する付加製造技術と後熱処理システムの高付加価値損傷部品の修復への実用化を推進する予定です。

著者について<br /> 黄克氏は西安交通大学の教授兼博士課程の指導者であり、国内有数の若手人材です。当社は長年にわたり、金属積層造形やレーザーショックピーニングなどのプロセス研究と設備開発に取り組んできました。彼は、基盤強化のための重点プロジェクト、2機の航空機に関する特別テーマ、173の分野基金、中国国家自然科学基金など、20を超えるプロジェクトを主宰しました。彼は、Prog Mater Sci、Acta Mater、Int J Mach Tools Manuf、Addit Manuf、Int J Plasticity、J Mater Sci Technolなどの学術誌に100件以上の論文を発表し、エルゼビアの2023年高引用中国学者の一人として選ばれ、30件以上の国家発明特許を取得しています。


研究グループのウェブサイトへのリンク: http://gr.xjtu.edu.cn/web/ke.huang
募集情報：研究グループでは、金属積層造形関連分野（トポロジー最適化、オンラインモニタリング、数値シミュレーション、デジタルツイン、材料設計など）のポスドク研究員を1～2名、長期募集しています。

この記事を引用する

You Zhou、Xuewei Fang、Naiyuan Xi、Xiaoxin Jin、Kexin Tang、Zhiyan Zhang、Qi Zhang、Yang Yang、Ke Huang、レーザー指向性エネルギー堆積修復されたIN718超合金の強度と延性を、新しい調整熱処理により強化、J. Mater. Sci. Technol. 199 (2024) 86-101。

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