Ultra-strong Inconel 718 superalloy reinforced with in-situ formation of nano-scale carbides via laser powder bed fusion

第一作者：潘鑫伟；曹庭玮

通讯作者：陈超越 副教授；李霞 老师；王江 教授

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2025.07.014

近日，上海大学材料科学与工程学院先进特殊钢国家重点实验室任忠鸣教授团队通过激光粉末床熔融（L-PBF，一种金属3D打印技术）技术，成功制备了由纳米碳化物强化的Inconel 718超强合金复合材料。该材料室温抗拉强度高达1.4GPa，同时保持了7.5%的良好延展性，其综合性能远超传统工艺制备的IN718合金及其他同类镍基复合材料，为高性能部件的增材制造开辟了新路径。此项技术成功实现了纳米增强相的原位可控生成与有害相的有效抑制，显著提升了镍基高温合金的综合性能。该成果对于在航空航天、能源动力等领域制造具有复杂几何形状、同时要求极高强度和高可靠性的关键部件（如涡轮盘、叶片等）具有重要的应用价值和广阔前景。

该文以“Ultra-strong Inconel 718 superalloy reinforced with in-situ formation of nano-scale carbides via laser powder bed fusion”在《Nano Materials Science》期刊（IF：17.9，中科院材料科学大类一区）上发表研究成果。上海大学的潘鑫伟和曹庭玮博士生为共同第一作者，上海大学陈超越副教授、李霞老师和王江教授为论文共同通讯作者。

Inconel 718（IN718）是一种应用广泛的镍基高温合金，但其在激光增材制造过程中易形成脆性的Laves相，损害材料性能。传统方法通常通过添加微米级陶瓷颗粒（如TiC）来改善性能，但效果有限，且难以均匀分布。本研究创新性地诱导纳米尺度的TiC颗粒析出作为增强相，并通过热力学计算辅助设计，确定了最佳添加比例为10 wt%。研究团队利用L-PBF技术极高的冷却速率（可达10^4-10^8 K/s）和独特的熔池动力学，实现纳米TiC颗粒完全熔化并与IN718基体发生反应，原位生成了富含Nb、Mo、Ti的多元纳米/亚微米碳化物。新生成的碳化物有效夺取了形成脆性Laves相所需的Nb、Mo等关键元素，从而完全抑制了Laves相的析出，从根本上解决了难题。形成了独特的微观结构——亚微米碳化物集中于熔池中心，而纳米碳化物均匀分布在熔池边界。这种多尺度、交错分布的碳化物共同作用，极大地强化了合金。

通过 Thermo-Calc 软件计算得出的不同 TiC 含量的 IN718 高温合金的凝固曲线

通过对激光扫描速度等参数的优化（最佳参数为600 mm/s），获得的IN718/TiC纳米复合材料展现出非凡的力学性能：抗拉强度 (UTS)最高可达 1406 MPa，比传统L-PBF制备的IN718合金提升了近48.5%；延伸率 (Elongation)可达 7.52%，在获得超高强度的同时具备了优良的塑性；显微硬度 (Microhardness)约为394 HV0.2，显著高于基体合金。

N718/TiC 纳米复合材料在不同扫描速度下的扫描电子显微镜图像

S600 样品熔池中心区域亚微米颗粒的透射电子显微镜图像

S600 样品熔池边界处纳米级颗粒的透射电子显微镜图像

在不同扫描速度下对 L-PBF IN718/TiC 纳米复合材料样品进行的 EBSD 分析

通过 L-PBF 制备的 IN718/TiC 纳米复合材料样品的力学性能统计

本研究系统考察了扫描速度对IN718/TiC纳米复合材料组织与性能的影响。研究发现，在600 mm/s的扫描速度下，材料可获得最高碳化物质量分数（20.43%）和均匀分布的纳米碳化物，有效抑制Laves相析出，形成强冶金结合的界面，此时综合力学性能最优，拉伸强度达1406.14 MPa，断口呈现典型韧窝形貌。随着扫描速度进一步提高，碳化物数量减少、尺寸粗化，导致拉伸强度与延伸率显著下降，材料性能呈现退化趋势。