中科院金属所 l 通过C/Y复合微合金化设计实现LPBF成形Inconel 718合金蠕变性能跃升

镍基高温合金凭借其优异的高温强度与抗蠕变性能，被广泛应用于航空发动机等核心部件的制造。近年来，激光粉末床熔融（LPBF）等增材制造（AM）技术在复杂结构件的一体化成形方面展现出显著优势。然而，尽管增材制造的高温合金在室温拉伸性能上已能达到锻造合金的水平，但其中高温下的抗蠕变性能较差，成为限制其在苛刻服役条件下应用的关键瓶颈。

为应对这一挑战，微合金化近年来已成为一项重要的研究热点。C元素作为一种典型的晶界强化元素，能够通过在晶界处发挥钉扎效应来提升高温合金的强度。增材制造极高的冷却速率使得合金中易于形成细小的碳化物，从而允许加入比传统铸锻工艺更高的C含量。然而，由于增材制造粉末制备过程中通常含有比传统合金高出一个数量级的氧含量，这会导致打印态合金发生严重的晶界脆化。因此，C的强化效果极大程度上受限于过高氧含量引发的晶界脆性。

为了应对这一挑战，中国科学院金属研究所与沈阳工业大学的研究团队提出了一种创新的微合金化策略。通过将Inconel 718（IN718）合金中的碳含量提高一个数量级至0.45wt.%，并添加0.06wt.%的微量钇（Y），成功设计并制备了C/Y复合微合金化IN718合金，蠕变性能得到了显著提升。

相关工作以“A novel microalloying strategy for superior creep performance in LPBF Inconel 718 superalloy”为题发表在Materials Research Letters上。博士研究生陈瑞志和特别研究助理周林为论文的共同第一作者，中科院金属所李金国研究员、吴迪研究员和沈阳工业大学刘丽荣教授为共同通讯作者。

论文链接：

https://doi.org/10.1080/21663831.2026.263094

图文解析

图1. （a）650℃/650MPa测试条件下的蠕变曲线；（b）650℃/650MPa测试条件下的蠕变速率-时间曲线；（c）650℃/650MPa下实验合金与LPBF和锻造IN718合金蠕变寿命比较；（d）650℃/690MPa测试条件下的蠕变曲线；（e）650℃/690MPa测试条件下的蠕变速率-时间曲线；（f）650℃/690MPa下实验合金与LPBF和锻造IN718合金蠕变寿命比较；（g）实验合金与LPBF及锻造IN718合金Larson-Miller参数比较。

图2. （a）-（c）三种合金ECCI表征；（d）IN718合金的TEM表征；（e）和（f）0Y-HC和0.06Y-HC合金胞状组织TEM表征及相应的EDS元素分布图；（g）和（h）0Y-HC合金中Laves相与碳化物的TEM表征；（i）和（j）分别对应（g）和（h）中析出相的SAED花样；（k）0.06Y-HC合金中氧化物的EDS线扫结果；（l）-（n）氧化物析出相的HRTEM像及相应的FFT花样。

图3. （a）打印态0Y-HC和（b）0.06Y-HC合金中O元素富集行为表征；（c）0Y-HC和（d）0.06Y-HC试样裂纹附近的O元素富集行为表征；（e）O在蠕变过程中的危害及Y对其缓解作用的示意图。

蠕变性能测试表明，在650℃/650MPa的下，未改性的标准LPBF IN718合金的蠕变寿命仅为77.46h，延伸率为4.1%。仅提高碳含量的0Y-HC合金虽然将寿命提升至124.38h，但其延伸率降至0.9%，呈现出明显的脆性断裂特征。采用C/Y复合微合金化的0.06Y-HC合金，其蠕变寿命达到了650.05h，比未改性的IN718合金提高了739%，同时延伸率提升至10%。在更为苛刻的650℃/690MPa高应力条件下，0.06Y-HC合金依然表现出色，蠕变寿命达到182.15h，比无Y的高碳合金提高了236%。Larson-Miller参数对比显示，复合微合金化的IN718合金抗蠕变性能已超越多数文献报道的增材制造IN718合金，甚至媲美传统的锻造IN718合金水平。

利用SEM、TEM和EPMA对合金进行了多尺度微观组织表征。结果表明，高C含量促使合金在胞状亚晶界和晶界处析出了大量颗粒状的碳化物。这些细小的颗粒状碳化物能够有效阻碍位错的连续滑动，从而对晶界施加了强烈的钉扎作用，显著降低了局部的晶界滑移速率。微量Y元素的加入可以增强晶界的结合强度，从而有效阻碍裂纹沿晶界的扩展。更为重要的是，Y对氧具有极强亲和力，通过与游离氧发生反应，原位形成了纳米级Y2O3，成功抑制了亚晶界和裂纹尖端的氧富集现象。在晶界净化与强化的协同作用下，合金的蠕变性能大幅提升。

总之，该研究将增加C含量与添加微量Y元素相结合，在LPBF IN718合金中成功实现了优异的综合力学性能突破。C元素提供了必要的晶界强化与第二相强化作用，而Y元素则通过形成有益的氧化物的同时缓解了增材制造合金中氧导致脆化问题。上述研究结果为开发适用于苛刻服役环境的新型高性能增材制造专用合金成分设计提供了思路。

*本文转载自由MRL编辑部邀请，作者团队供稿。

论文引用

Ruizhi Chen, Lin Zhou, Huan Zhang, Xiangyu Zhao, Yi Liu, Peisen Lv, Di Wu*, Jun Xie, Fei Sun, Jingjing Liang, Lirong Liu* & Jinguo Li* (18 Feb 2026): A novel microalloying strategy for superior creep performance in LPBF Inconel 718 superalloy, Materials Research Letters.

https://doi.org/10.1080/21663831.2026.2630942

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