兰州理工 l γ′相对3D打印IN738LC合金热腐蚀行为的影响

IN738合金作为一种沉淀强化型镍基高温合金，因其优异的高温力学性能和抗热腐蚀能力，被广泛应用于航空发动机及燃气轮机热端部件，其高温服役性能与γ′沉淀相的微观特征密切相关。

选区激光熔化（selective laser melting, SLM）技术具有高精度、高成形自由度的特点，为制备复杂结构高温合金构件提供了新途径。目前，针对SLM成形IN738合金的研究主要集中在工艺优化、裂纹抑制以及预处理与后处理工艺对力学性能的影响，对于γ′相的研究则多限于其尺寸与形貌的调控。然而，γ′相面积分数对氧化膜形成与稳定性的影响尚未得到充分关注，导致其在合金高温热腐蚀行为中的作用机制仍不明确。

为此，兰州理工大学的研究团队通过设计水冷（WC）、空冷（AC）和炉冷（FC）三种亚固溶热处理制度，系统调控SLM成形IN738LC合金中γ′相的尺寸、形貌及面积分数，并研究其在900 ℃混合熔盐（75%Na₂SO₄+25%NaCl）环境中的热腐蚀行为及相关机理，旨在阐明γ′相面积分数与热腐蚀性能之间的内在联系。研究工作为提升SLM成形IN738LC合金在高温腐蚀环境中的服役可靠性提供了组织调控与工艺设计依据。 相关研究论文发表在《中国有色金属学报》。

论文链接：

http://ysxb.csu.edu.cn/thesisDetails.11817/j.ysxb.1004.0609.2025-45725&lang=zh

文章亮点

（1）通过改变冷却速率调控了SLM成形IN738LC合金中γ′沉淀相的面积分数，明确了γ′相面积分数与合金在900 °C混合熔盐中热腐蚀抗力之间呈负相关关系，较低的面积分数有助于形成更连续、致密的Al2O3内氧化层，从而显著提升合金的耐蚀性。

（2）从元素扩散动力学角度阐明了γ′相面积分数影响热腐蚀行为的微观机制：当面积分数较低时，Al元素主要固溶于γ基体中，可通过晶界实现短程快速扩散，促进保护性Al2O3膜的早期形成与覆盖；而当面积分数较高时，Al原子富集于γ′相内部，其向表面迁移需经历相内晶格扩散、穿越γ/γ′相界等多步过程，扩散动力学缓慢，导致内氧化层不连续、完整性差，抗腐蚀性能下降。

（3）揭示了SLM成形IN738LC合金热腐蚀性能的组织各向异性规律，指出水平面（XOY）的耐蚀性优于竖直面（XOZ）。该现象源于沉积态组织的差异：XOY面由细小等轴晶构成，晶界密度高，有利于元素扩散；配合较低的γ′相面积分数，共同促进了Al2O3保护膜的均匀形成，从而增强了合金在高温腐蚀环境中的服役稳定性。

图文解析

图1显示了IN738LC合金经1120 ℃/2h亚固溶处理后，不同冷却方式试样中γ′相的形貌及分布。γ′相尺寸统计结果如表1所示。在XOY截面上，WC试样中γ′相呈双峰分布，初生和次生γ′相尺寸分别为286.80 nm和90.40 nm，形貌接近球形（图1a）。AC试样中γ′相为单峰分布，平均尺寸98.20 nm，呈细密均匀的球形和立方体混合形貌（图1b）。FC试样γ′相仍保持双峰分布，但初生γ′相明显粗化（平均尺寸421.47 nm）并转化为花瓣状，次生γ′相平均尺寸增至132.23 nm，密度降低（图1c）。表明随冷却速率降低，γ′相平均尺寸增大，形貌趋于复杂。EDS分析表明（表2），WC和FC试样初生γ′相中的Al、Ti含量较高，这主要源自Al元素在熟化过程中优先由基体扩散至γ′相所致。AC试样因γ′相尺寸均匀、密度高，抑制了元素再分配，因此Al、Ti含量较低。对IN738LC合金的研究表明，该合金中γ/γ′相呈现负晶格失配，高冷却速率下γ′相Al含量的增加会减小γ/γ′相间的晶格失配度，当界面能起主导作用时，将导致应变能降低。不同冷却方式制备试样在不同截面（XOZ和XOY）中γ′相演变规律及元素含量变化规律一致，表明冷却制度对组织的影响具有全域性。

图1 不同冷却方式处理试样γ′ 相的SEM像和分布

表1 γ′ 相尺寸统计结果

表2 合金中γ′ 相的EDS统计结果

图2显示了不同冷却方式处理的IN738LC合金在900  ℃下的热腐蚀动力学曲线。图2a为XOY截面试样经120 h腐蚀后的质量变化曲线，所有试样在初始10 h内均出现因腐蚀产物剥落导致的质量损失；随后AC与WC试样的增重呈抛物线趋势上升，其中AC试样腐蚀120 h后增重达0.16  mg·cm-2，WC试样次之；FC试样在60 h后增重趋缓，至100 h后基本稳定。在XOZ截面上（图2b），所有试样的腐蚀增重均呈近似线性上升趋势，且同一时间点的增重值均高于XOY截面。AC试样在60 h时增重达0.55 mg·cm-2，80 h后腐蚀层发生整体剥落，试样严重变形，数据记录终止；WC与FC试样在60 h内的增重均低于AC试样，其中FC试样增幅最小。结果表明，SLM成形IN738LC合金的热腐蚀行为具有显著的各向异性：XOY面的腐蚀抗力整体优于XOZ面。在不同冷却处理的试样中，FC试样在两种截面上均表现出最佳的耐腐蚀性能。

图2 不同冷却方式处理IN738LC试样的热腐蚀动力学曲线

图3显示了IN738LC合金经900  ℃/120 h热腐蚀后，不同冷却方式处理试样在XOY截面的腐蚀层结构。腐蚀层均呈现三层典型结构：外侧为氧化物层（Ⅰ区），中间为疏松多孔硫化物层（Ⅱ区），内侧为合金基体（Ⅲ区）。FC试样的氧化物层厚度最大（39.40 μm，图3c），硫化物层厚度最小（117.53 μm）；AC试样的氧化物层最薄（13.95 μm），硫化物层最厚（273.31 μm）；WC试样的氧化物层与硫化物层厚度介于二者之间，分别为24.04 μm与200.34 μm。三种试样的硫化物层内均可观察到条带状腐蚀通道（图3中橙色箭头所示），其可能成为腐蚀介质向内渗透的路径。此外，腐蚀过程中γ′相发生进一步粗化，其形貌特征与热处理状态（图1a-c）一致，但尺寸与面积分数均有所增加。

图3 不同冷却方式处理试样经900 ℃、120 h热腐蚀后XOY面的截面形貌以及γ′ 析出相的分布

图4显示了FC试样截面EDS分析，其氧化层为典型双层结构：外层为NiO、Cr2O3和弥散分布的TiO2，内层为连续Al2O3膜组成。FC试样中参与形成氧化层的Al、Ti和Cr元素同时来源于γ基体和γ′相。与水冷和空冷试样相比，FC试样因形成最厚且相对致密的双层氧化膜（图3c），显著延缓了腐蚀介质的内渗透，从而显著提升抗热腐蚀性能。随着热腐蚀进行，当硫分压达到一定值并穿透氧化层沿晶界向基体扩散（白色虚线和箭头所示）时，将形成Ni3S2等硫化物。同时，基体中的Mo、W和Nb元素被持续消耗，最终导致内部硫化物含量增加。

图4 FC处理试样热腐蚀120 h后XOY面截面的SEM像和EDS元素分布

图5显示了三种试样不同平面热腐蚀后γ'相面积分数直方图（基于Mipar软件统计分析）。结果表明无论采用何种冷却方式，XOZ平面的γ' 相面积分数均高于XOY平面；在同一平面内，γ'相面积分数遵循AC（空冷）> WC（风冷）> FC（炉冷）的变化规律。结合图5(b)所示的氧化层厚度、硫化层厚度及单位面积腐蚀增重数据可以看出，γ'相面积分数与氧化层厚度呈现负相关关系，与硫化层厚度和单位面积腐蚀增重呈现正相关。由此可知，γ′相面积分数是影响SLM成形IN738LC合金热腐蚀性能的关键微观参数。其机制可归结为Al元素扩散路径的差异及其对内层Al2O3膜生长动力学的控制作用。

图5 不同处理试样中γ′ 相面积分数统计直方图以及氧化层、硫化层厚度和腐蚀增重与面积分数定量关系

图6展示了选区激光熔化IN738LC合金在900  ℃熔盐环境中的热腐蚀机理。示意图显示腐蚀后形成的氧化膜呈双层结构：外层主要由NiCr2O3与TiO2组成，内层为Al2O3。腐蚀过程中，硫离子（S2-）向内迁移，致密的Al2O3层可有效阻碍其进一步侵入。氧化过程遵循一定顺序：O2-优先与γ基体中的Cr、Ni、Ti反应形成外层氧化膜，随后与基体中的Al反应，并与γ′相作用形成内层Al2O3膜。内层Al2O3中的Al原子同时来源于γ基体和γ′相，其供应速率受γ′相面积分数调控。当γ′相面积分数较低时，Al主要分布于γ基体，可通过晶界短程扩散快速形成连续致密的Al2O3膜，从而抑制硫化物层加深。当γ′相面积分数较高时，Al多富集于γ′相内部，其向表面扩散需经历晶格扩散与相界扩散，动力学缓慢；同时γ基体中Al含量有限，导致内层Al2O3膜生长不连续、厚度较薄，对硫离子阻挡能力减弱。此外，熔盐中的Cl-会参与反应，生成挥发性氯化物（如AlCl3、CrCl2），这些氯化物迁移至氧化膜表面后重新氧化并释放Cl2，形成循环腐蚀过程；其中Al因生成AlCl3的吉布斯自由能最低而优先消耗，进一步削弱Al2O3膜的保护性与自修复能力，加速材料腐蚀失效。

图 6 SLM成形IN738LC合金的热腐蚀机理

研究结论

（1）冷却方式显著影响γ′相形貌与分布：水冷（WC）试样呈现双峰分布，其中初生γ′相平均尺寸286.80 nm，次生γ′相90.40 nm；空冷（AC）试样为均匀致密的单峰分布，γ′相平均尺寸98.20 nm；而炉冷（FC）试样虽保持双峰分布但初生γ′相转变为花瓣状（平均尺寸421.47 nm），而次生γ′相密度降低（平均尺寸132.23 nm）。

（2）SLM成形IN738LC合金在不同平面表现出显著的热腐蚀各向异性，XOY平面热腐蚀抗力优于XOZ平面，γ′相面积分数与γ基体晶粒尺寸遵循AC > WC > FC的变化规律。FC试样表现出最优的热腐蚀抗力，其腐蚀增重量最低（0.04 mg·cm-2），沿XOY面热腐蚀120h形成致密且连续的Al₂O3内氧化层（厚度达39.4 μm）。

（3）SLM成形IN738LC合金在900 °C、75%Na2SO4+25%NaCl熔盐环境下的热腐蚀，表现出典型的酸碱熔融腐蚀机制。γ′相面积分数通过影响Al元素扩散路径（源自γ基体或γ′相），控制内层Al₂O3氧化膜的生成厚度与致密性，进而决定了最终的腐蚀抗力。

（4）本研究阐明了通过调控γ′相面积分数与基体晶粒尺寸可协同提升SLM成形IN738LC合金的抗热腐蚀性能机理，为其在高温腐蚀环境中的热处理工艺选择与微观组织设计提供了理论依据与工程应用指导。

论文引用

杨小康, 杨丹, 刘龙龙, 等. γ′相对选区激光熔化IN738LC合金热腐蚀行为的影响[J]. 中国有色金属学报, 2025, 35(12): 4149-4166.

研究团队

丁雨田，兰州理工大学教授、博士生导师，甘肃省领军人才第一层次和甘肃省“333人才工程”入选者、甘肃省高校跨世纪学科带头人、甘肃省研究生教育优秀导师团队带头人（2022年）。主要从事铜及铜合金、镍基变形高温合金、激光增材制造镍基高温合金和生物医用锌镁合金方面的研究，近5年来主持国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金、甘肃省重大科技专项等项目10余项，发表SCI论文30余篇。2020年获甘肃省科技进步二等奖，2021年获河南省科技进步一等奖和甘肃省科技进步三等奖，2022年获甘肃省科技进步三等奖，2023年获中国有色工业科学技术一等奖和国家科技进步二等奖。担任Metals客座主编，以及JMST、MSEA、JAC、MD、JMRT等SCI期刊审稿人。

胡勇，兰州理工大学教授。主要从事新材料非平衡制备；激光增材制造结构、功能材料；材料表面改性相关工作。主持负责3项国家自然科学基金、甘肃省科技重大专项、重点研发计划、浙江省/甘肃省自然科学基金。主持、参与纵向横向项目10余项。在ACS Nano、Rare metals、Corrosion Science、Materials Research Letters、Tribology International、Materials Science and Engineering A、Surface Coatings & Technology、Journal of Materials Research & Technology、Journal of alloys and compounds、Transactions of Nonferrous Metals Society of China等国内外著名刊物上公开发表学术论文70余篇，其中SCI/EI收录50余篇。授权发明专利7件。获得国家科学技术进步二等奖1项；河南省科技进步一等奖1项；中国有色金属工业科学技术三等奖、中国机械工业科学技术三等奖各1项；甘肃省科技进步二等奖1项、三等奖2项。

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