权利要求
1.一种超声喷丸强化激光定向沉积IN718合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a. 基体预处理：选用45钢作为沉积基板，进行表面除油、除锈处理;
b. DED制备：采用激光定向能量沉积技术在预处理后的基板上制备IN718合金试样;
c. 表面精处理：对沉积态试样待处理的表面进行机械研磨抛光，使其达到一定的表面光洁度;
d. 超声喷丸处理：采用便携式超声喷丸设备对步骤c中的试样表面进行强化处理;
e. 后处理：采用超声波清洗试样表面，获得表面具有梯度纳米结构的强化IN718合金构件。
2.根据权利要求1所述的一种超声喷丸强化激光定向沉积IN718合金的制备方法，其特征在于，所述步骤a中，将基板用角磨机进行除锈，再用无水乙醇擦拭基板以去除油污，控制表面粗糙度Ra在3.2-6.3μm。
3.根据权利要求1所述的一种超声喷丸强化激光定向沉积IN718合金的制备方法，其特征在于，所述步骤b中，激光定向能量沉积使用的合金粉为粒径为50～150μm IN718
镍基高温合金粉末;
将IN718镍基高温合金粉末置于送粉器中，运转10-20s，以确保送粉均匀。
4.根据权利要求3所述的一种超声喷丸强化激光定向沉积IN718合金的制备方法，其特征在于，设置激光功率1000W-1800W，扫描速度4-10mm/s，送粉速率0.8-1.5r/min，层高0.5-0.8mm。
5.根据权利要求4所述的一种超声喷丸强化激光定向沉积IN718合金的制备方法，其特征在于，设置搭接率1-1.5mm，层厚2-4mm，保护气体为氩气。
6.根据权利要求5所述的一种超声喷丸强化激光定向沉积IN718合金的制备方法，其特征在于，氩气纯度为99%以上，流量15-25L/min。
7.根据权利要求6所述的一种超声喷丸强化激光定向沉积IN718合金的制备方法，其特征在于，至少沉积两层。
8.根据权利要求1所述的一种超声喷丸强化激光定向沉积IN718合金的制备方法，其特征在于，所述步骤c中，精处理后，表面粗糙度Ra为1.6-3.2μm。
9.根据权利要求1所述的一种超声喷丸强化激光定向沉积IN718合金的制备方法，其特征在于，所述步骤d处理过程中，设置仪器功率为额定功率的55%-70%，工作频率18-22kHz，超声喷丸的时间为5-40min;使用的弹丸为直径1-5mm的淬火钢球。
10.根据权利要求1所述的一种超声喷丸强化激光定向沉积IN718合金的制备方法，其特征在于，经过所述超声喷丸处理后，所述IN718合金构件的表层显微硬度达400-500HV0.2。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及金属材料表面工程技术领域，具体涉及一种超声喷丸强化激光定向沉积IN718合金的制备方法。
背景技术
[0002]镍基高温合金，特别是Inconel 718(IN718合金)，因其卓越的高温强度、优异的抗蠕变性能、良好的疲劳抗力以及出色的耐腐蚀性，被广泛应用于航空航天(如航空发动机叶片、涡轮盘、机匣)、能源电力(如燃气轮机热端部件)、石油化工等领域的核心关键部件。激光定向能量沉积(DED)技术作为一种先进的增材制造技术，能够实现复杂结构IN718构件的快速原型制造、近净成形以及在役修复，具有成型自由度高、材料利用率高、制造周期短等显著优点。
[0003]然而，DED技术固有的高能量输入、快速熔凝和反复热循环特性，极易导致所制备的IN718合金产生一系列微观组织缺陷，主要包括：沿构建方向外延生长的粗大柱状晶组织、合金元素(如Nb、Mo)的微观偏析(形成脆性Laves相、δ相等有害析出相)、以及因非均匀热应力而残留的较高拉应力。这些微观组织缺陷严重制约了材料的表面完整性，直接表现为表面硬度不足、耐磨性能较差、耐腐蚀性能(尤其是点蚀和应力腐蚀开裂敏感性)下降，难以满足关键部件在高温、高应力、腐蚀性介质等极端工况下对高性能与长寿命的苛刻要求。目前，改善增材制造构件表面性能的常用方法包括超声喷丸处理、激光冲击强化、热处理等。超声喷丸处理作为一种高效的表面纳米化技术，已被证实可在传统金属材料表层诱导产生梯度纳米结构和残余压应力，从而提高材料的疲劳性能和耐磨性。
[0004]中国专利申请CN119407196A公开了一种利用便携超声冲击设备调控激光增材制造镍基高温合金的方法，通过逐层沉积与超声冲击的交替进行，实现了晶粒细化和硬度提升，硬度值至350 HV0.2左右。中国专利申请CN118792647A公开了一种利用一体式点阵超声振动装置调控激光熔覆镍基高温合金涂层的方法。该方法通过超声辅助技术增强熔池流动以促进碳化物均匀分布，并结合原位合成工艺使C元素与Nb元素反应生成强化相，从而完全消除了有害的Laves相，将涂层的耐磨性能提升了40.5%。中国专利申请CN120026265A公开了一种超声辅助激光改性提升镁合金耐蚀性的方法。该方法在保护气氛下对镁合金表面进行超声辅助激光处理，形成厚度约35μm、晶粒尺寸1–2μm的致密细晶重熔层。超声振动有效破碎枝晶、促进熔池流动、减少偏析，显著细化组织并提高致密性，从而降低自腐蚀电流密度，增强耐蚀性能。该方法工艺简单、周期短，具备良好的工业应用前景。
[0005]但现有技术方案多集中于传统块体材料或单一性能(如硬度或耐磨性)的改善，对于专为DED技术制备的IN718合金，如何通过系统优化的超声喷丸工艺参数，在复杂构件上同步实现耐磨性、耐腐蚀性以及更为关键的抗磨损-腐蚀协同性能(磨蚀)的全面提升，仍缺乏深入、系统的研究以及成熟、可靠的综合性工艺方案。特别是在抑制磨损与腐蚀这两种失效模式相互加剧的协同效应(Synergistic Effect)方面，现有技术尚未提供明确且有效的解决方案。
[0006]因此，开发一种专门适用于DED-IN718合金构件、兼具优异组织细化能力、硬度提升效果与耐蚀性改善功能的高效便携式表面强化方法，具有迫切的需求和重要的工程应用价值。
发明内容
[0007]本发明所要解决的技术问题是提供一种超声喷丸强化激光定向沉积IN718合金的制备方法，工艺简单、强化效果显著，该方法在DED-IN718合金表层制备出具有梯度结构的改性层，同步提高其显微硬度、耐磨性、耐腐蚀性及抗磨损-腐蚀协同破坏的能力。
[0008]采用的技术方案为：
一种超声喷丸强化激光定向沉积IN718合金的制备方法，包括以下步骤：
a. 基体预处理：选用45钢作为沉积基板，进行表面除油、除锈处理;
b. DED制备：采用激光定向能量沉积技术在预处理后的基板上制备IN718合金试样;
c. 表面精处理：对沉积态试样待处理的表面进行机械研磨抛光，使其达到一定的表面光洁度，确保超声喷丸效果的均匀性。
[0009]d. 超声喷丸处理：采用便携式超声喷丸设备对步骤c中的试样表面进行强化处理;
e. 后处理：采用超声波清洗试样表面，以消除表面污染物，确保后续的分析、测试或实验结果的准确性和可靠性。
[0010]优选的，所述步骤a中，将基板用角磨机进行除锈，再用无水乙醇擦拭基板以去除油污，控制表面粗糙度Ra在3.2-6.3μm。
[0011]优选的，所述步骤b中，激光定向能量沉积使用的合金粉为粒径为50～150μmIN718镍基高温合金粉末;
将IN718镍基高温合金粉末置于送粉器中，运转10-20s，以确保送粉均匀，保证沉积质量。
[0012]优选的，设置激光功率1000W-1800W，扫描速度4-10mm/s，送粉速率0.8-1.5r/min，层高0.5-0.8mm。
[0013]优选的，设置搭接率1-1.5mm，保护气体为氩气。
[0014]优选的，氩气纯度为99%以上，流量15-25L/min。
[0015]优选的，沉积层数至少两层;沉积完第一层之后，再沉积第二层、第三层、第四层，等。
[0016]优选地，所述步骤c中，精处理后，表面粗糙度Ra为1.6-3.2μm。
[0017]优选的，所述步骤d处理过程中，设置仪器功率为额定功率的55%-70%，工作频率18-22kHz，超声喷丸的时间为5-40min;使用的弹丸为直径1-8mm的淬火钢球。
[0018]优选的，经过所述超声喷丸处理后，所述IN718合金构件的表层显微硬度达到400-500HV0.2。
[0019]与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
组织细化效果显著：超声喷丸有效破碎DED-IN718的粗大柱状晶，平均晶粒尺寸从50-100μm细化至2-5μm，表层形成连续梯度纳米结构，消除各向异性。
[0020]力学性能全面提升：表层显微硬度从250-300HV0.2提升至400-500HV0.2，提高幅度60%-100%，相比于中国专利申请CN119407196A硬度提升更明显，硬度呈平滑梯度分布，避免界面失效。
[0021]耐磨性大幅改善：干滑动磨损条件下摩擦系数从0.6降至0.5，高硬度直接赋予其优异的抗磨粒切削能力，磨损率大幅降低32.7%。
[0022]耐腐蚀性显著提高：在3.5wt.% NaCl溶液中，腐蚀电位从-0.21V正移至-0.18V，腐蚀电流密度从3.36×10⁻7 A/cm²降至8.56×10⁻8 A/cm²，电荷转移电阻提高50%-100%，钝化膜稳定性增强。
[0023]抗磨蚀性能卓越：在磨损-腐蚀协同作用下，材料总流失量降低50%-70%，有效抑制磨损与腐蚀的相互加速效应，在腐蚀介质中保持稳定低摩擦特性。
[0024]工艺优势明显：处理效率高，处理时间≤30min，设备便携，适用于现场作业和复杂几何形状构件，绿色环保，无污染，成本低廉，操作简单，易于工业化应用。
[0025]本发明通过优化的超声喷丸工艺，在DED-IN718合金表层构建梯度纳米结构，实现了耐磨性、耐腐蚀性及抗磨蚀性能的同步提升，为航空航天、能源化工等领域关键部件的表面强化提供了有效的技术解决方案。
附图说明
[0026]图1为本发明实施例1(b)与对比例1(a)制备的DED-IN718镍基高温合金的扫描电子显微镜微观组织形貌对比图;
图2为本发明实施例1(b)与对比例1(a)制备的DED-IN718镍基高温合金的电子背散射衍射(EBSD)图。
[0027]图3为本发明实施例1与对比例1制备的DED-IN718镍基高温合金从表面至心部的显微硬度梯度分布对比图。
[0028]图4为本发明实施例1与对比例1制备的DED-IN718镍基高温合金在干滑动磨损条件下的摩擦系数曲线(a)及磨损率(b)对比图;
图5为本发明实施例1与对比例1制备的DED-IN718镍基高温合金在3.5 wt.% NaCl溶液中的动电位极化曲线图;
图6为本发明实施例1与对比例1制备的镍基高温合金在磨损-腐蚀协同作用下的OCP(a)、摩擦系数曲线(b)及磨损率(c)对比图。
具体实施方式
[0029]附图仅用于示例性说明;下面结合具体的实施例和附图，对本发明的技术方案作详细说明。
[0030]应当理解，涉及到的现有技术和公知常识可能省略，本发明的技术方案并不局限于以下实施例中。
[0031]实施例1
一种超声喷丸强化激光定向沉积IN718合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)基体预处理：选用45钢作为沉积基板，进行表面除油、除锈处理。预处理方法为，将基板用角磨机进行除锈，再用无水乙醇擦拭基板，以去除表面油污，控制表面粗糙度Ra为4.5μm。
[0032](2)采用激光定向能量沉积技术在预处理后的基板上制备IN718合金试样。将去除油污后的基板置于工作台上，将粒径为80μm左右的 IN718镍基高温合金粉末置于送粉器中，运转15s以确保送粉均匀，保证沉积质量。
[0033]在氩气气体氛围中，将送粉器中的IN718镍基高温合金粉末在基板上进行激光定向能量沉积，其中，激光定向能量沉积的激光功率为1500W，激光定向能量沉积的扫描速度为8mm/s，激光定向能量沉积的送粉速率为1r/min;，沉积层数为3层。
[0034](3)表面精处理：对沉积态试样待处理的表面进行机械研磨抛光，使其达到一定的表面光洁度，确保超声喷丸效果的均匀性。
[0035](4)超声喷丸处理。对表面精处理的沉积态镍基高温合金基板上的沉积层用便捷式超声喷丸设备进行超声冲击。其中，工作频率20kHz，超声喷丸功率为额定功率的60%，超声喷丸的时间为20min，使用的弹丸为直径4mm的淬火钢球。
[0036](5)后处理：采用超声波清洗，以消除表面污染物，确保后续的分析、测试或实验结果的准确性和可靠性，记为USP-1。
[0037]对比例1
一种强化激光定向沉积IN718合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)基体预处理：选用45钢作为沉积基板，进行表面除油、除锈处理。预处理方法为，将基板用角磨机进行除锈，再用无水乙醇擦拭基板，以去除表面油污，控制表面粗糙度Ra为4.5μm。
[0038](2)采用激光定向能量沉积技术在预处理后的基板上制备IN718合金试样。将去除油污后的基板置于工作台上，将粒径为80μm左右的 IN718镍基高温合金粉末置于送粉器中，运转15s，以确保送粉均匀。
[0039]在氩气气体氛围中，将送粉器中的IN718镍基高温合金粉末在基板上进行激光定向能量沉积，其中，激光定向能量沉积的激光功率为1500W，激光定向能量沉积的扫描速度为8mm/s，激光定向能量沉积的送粉速率为1r/min;沉积层数为3层。
[0040](3)表面处理。对沉积态的镍基合金组织进行表面机械研磨抛光，去除沉积态的镍基合金表面不平整层，获得一个平整、统一的表面，Ra 约为2.5μm，即得到激光定向沉积IN718合金构件，记为ASP。
[0041]将实施例1得到的具有梯度纳米结构合金构件USP-1与对比例得到的合金构件ASP进行对比测试，如图1所示，为扫描电子显微镜(SEM)微观组织形貌对比图，图1中(b)图通过超声喷丸处理后形成梯度结构，而(a)图虽然均匀，但未见梯度。通过图2的电子背散射衍射(EBSD)图可知，图2中(b)经过超声喷丸处理后，材料的晶粒明显细化，同时晶界数量明显增加，间接表明表面可能引入了有益的压缩残余应力，有利于抑制裂纹萌生与扩展，从而增强疲劳寿命。
[0042]如图3所示，USP处理在材料近表面区域形成了显著的硬度梯度，其表面硬度值远高于ASP，且随着深度增加逐渐降低并趋于基体水平。USP通过高能超声波振动，促使喷丸颗粒对材料表面产生更剧烈、更均匀的塑性变形。这种变形直接导致两个关键微观结构变化：位错密度急剧增加与晶粒显著细化(如EBSD图像所示)。位错增殖与交互作用构成了强化基体;同时，细小的晶粒根据霍尔-佩奇效应进一步提升了强度与硬度。
[0043]如图4所示，ASP样品摩擦系数在整个测试期内波动显著，振幅大。其平均值较高(约0.5)，且未表现出明显的稳定阶段，呈持续的不稳定状态。USP-1样品摩擦系数在测试初期(约0-50秒)经历一个短暂上升后，迅速下降并进入稳定阶段。其稳态摩擦系数较低(约0.35)，且在整个测试过程中曲线平稳，波动很小，同时与ASP相比，USP-1的磨损率降低了约32.7%。表面纳米化/细晶化、硬度提升是主要原因。
[0044]如图5所示，USP-1样品具有更高的腐蚀电位和更小的腐蚀电流密度，这表明USP处理后的材料表面在热力学上更稳定，发生腐蚀的倾向性更低，腐蚀反应的速率更慢，即其在实际环境中的耐蚀性更优。
[0045]如图6所示，USP-1样品在整个测试期间(6000秒)，其开路电位始终保持在高位且稳定，这表明其表面状态极为稳定，保护性钝化膜或强化层在磨损过程中能持续、完整地存在，有效隔绝了腐蚀介质。ASP样品其开路电位整体更低(约-0.4V至-0.5V)且剧烈波动。电位频繁地急剧负移(表明表面活化/损伤)随后又部分回升(可能因腐蚀产物暂时覆盖)。这种不稳定性揭示了其表面在磨损作用下持续遭受破坏、反复暴露新鲜活性金属的过程。在磨蚀(磨损+腐蚀)协同作用下，USP处理对718合金表面微观结构的强化，恰恰改变了其摩擦磨损的主导机制，导致平均摩擦系数高于较软的ASP样品。由于其表面晶粒极细、位错密度极高，促进了在腐蚀介质中形成一层极薄(纳米级)、极硬、附着力极强的Cr2O3基钝化膜。在磨损的机械作用下，这层硬脆的纳米氧化膜极易破裂，剥离后形成纳米级硬质氧化物磨粒(如Cr2O3、NiO等)。这些源自自身钝化膜的硬质磨粒，其硬度远高于合金基体。它们滞留在摩擦界面会产生显著的犁削和微切削作用。这种三体磨粒磨损机制需要消耗大量能量，直接导致摩擦系数大幅升高。
[0046]然而，USP-1的磨损率显著低于ASP，在工程实际中，特别是在磨蚀环境下，评判表面处理成败的首要标准是材料损失的速度和总量(即磨损率或失重)。USP-1以较高的摩擦能耗为代价，换来了极低的材料流失，这对于延长关键部件寿命是根本性的胜利。
[0047]实施例2
一种超声喷丸强化激光定向沉积IN718合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)基体预处理：选用45钢作为沉积基板，进行表面除油、除锈处理。预处理方法为，将基板用角磨机进行除锈，再用无水乙醇擦拭基板，以去除表面油污，控制表面粗糙度Ra为5.5μm。
[0048](2)采用激光定向能量沉积技术在预处理后的基板上制备IN718合金试样。将去除油污后的基板置于工作台上，将粒径为80μm IN718镍基高温合金粉末置于送粉器中，运转15s，以确保送粉均匀，保证沉积质量。
[0049]在氩气气体氛围中，将送粉器中的IN718镍基高温合金粉末在基板上进行激光定向能量沉积，其中，激光定向能量沉积的激光功率为1000W，激光定向能量沉积的扫描速度为8mm/s，激光定向能量沉积的送粉速率为1r/min;沉积层数为3层。
[0050](3)表面精处理：对沉积态试样待处理的表面进行机械研磨抛光，使其达到一定的表面光洁度，确保超声喷丸效果的均匀性。
[0051](4)超声喷丸处理：对表面精处理的沉积态镍基合金基板上的沉积层用便捷式超声喷丸设备进行超声冲击即可。其中，工作频率20kHz，超声喷丸功率为额定功率的60%，超声喷丸的作用时间为20min，使用的弹丸为直径4mm的淬火钢球。
[0052](5)后处理：采用超声波清洗，以消除表面污染物，确保后续的分析、测试或实验结果的准确性和可靠性，最终所得的合金构件记为USP-2。
[0053]实施例3
一种超声喷丸强化激光定向沉积IN718合金的制备方法，激光定向能量沉积的激光功率为1800W，最终所得的合金构件记为USP-3。
[0054]其他未述及的地方同实施例1。
[0055]实施例4
一种超声喷丸强化激光定向沉积IN718合金的制备方法，激光定向能量沉积的扫描速度为4mm/s，最终所得的合金构件记为USP-4。
[0056]其他未述及的地方同实施例1。
[0057]实施例5
一种超声喷丸强化激光定向沉积IN718合金的制备方法，激光定向能量沉积的扫描速度为6mm/s，最终所得的合金构件记为USP-5。
[0058]其他未述及的地方同实施例1。
[0059]实施例6
一种超声喷丸强化激光定向沉积IN718合金的制备方法，激光定向能量沉积的沉积层数为2，最终所得的合金构件记为USP-6。
[0060]其他未述及的地方同实施例1。
[0061]实施例7
一种超声喷丸强化激光定向沉积IN718合金的制备方法，激光定向能量沉积的沉积层数为4，最终所得的合金构件记为USP-7。
[0062]其他未述及的地方同实施例1。
[0063]实施例8
一种超声喷丸强化激光定向沉积IN718合金的制备方法，超声喷丸功率为额定功率的40%，最终所得的合金构件记为USP-8。
[0064]其他未述及的地方同实施例1。
[0065]实施例9
一种超声喷丸强化激光定向沉积IN718合金的制备方法，使用的弹丸为直径2mm的淬火钢球，最终所得的合金构件记为USP-9。
[0066]其他未述及的地方同实施例1。
[0067]实施例10
一种超声喷丸强化激光定向沉积IN718合金的制备方法，超声喷丸的作用时间为10min，最终所得的合金构件记为USP-10。
[0068]其他未述及的地方同实施例1。
[0069]实施例11
一种超声喷丸强化激光定向沉积IN718合金的制备方法，超声喷丸的作用时间为30min，最终所得的合金构件记为USP-11。
[0070]其他未述及的地方同实施例1。
[0071]将实施例1-11所制备的IN718合金构件进行表层显微硬度;对干滑动磨损条件下摩擦系数进行测试;在3.5wt.% NaCl溶液中，进行腐蚀电位和腐蚀电流密度进行测试;对在磨损-腐蚀协同作用下，对材料总流失量进行测试，后计算抗磨损-腐蚀性能提升率。所得结果如表1所示。
[0072]表1 实施例1-11所制备的IN718合金构件性能对比
通过表1可知，本研究通过系统设计激光熔覆工艺和超声喷丸工艺参数，制备了USP系列合金构件，并综合评估了其表层显微硬度、
电化学腐蚀性能及抗磨损-腐蚀协同性能。分析结果确证，采用激光功率1500W、扫描速度8mm/s、超声功率60%、淬火钢球直径4mm、工作时间20min的USP-1参数组合，实现了各项关键性能的最优协同与平衡，展现出全面的优越性。
[0073]具体而言，USP-1构件在腐蚀防护方面表现最为突出，其腐蚀电位最正(-0.186V)，腐蚀电流密度最低(3.359×10⁻7 A/cm²)，表明其表面形成了最稳定、最致密的微观结构，能有效抑制电化学腐蚀进程。同时，其抗磨损-腐蚀性能提升率高达63 %，这意味着在磨损与腐蚀相互加剧的苛刻环境中，USP-1抵抗材料流失的综合能力最强，显著优于其他参数组合。此外，其表层显微硬度达到489.095 HV，虽非最高，但与最佳的耐蚀性、抗协同损耗能力形成了理想匹配，避免了单纯追求高硬度可能带来的脆性与耐蚀性下降问题。
[0074]对其他参数组的对比分析从反面强化了这一结论。任何单一参数的偏离，如激光功率降低或升高、扫描速度变化、超声功率不足等，均会破坏上述精妙的性能平衡。例如，提高激光功率(USP-3)虽使硬度微增至495.5 HV，却导致组织过热，耐蚀性与抗磨损-腐蚀性能急剧恶化;降低超声功率(USP-6)则因晶粒细化与致密化效果减弱，使所有性能指标全面下滑。这些结果清晰地表明，USP-1的参数窗口精准调控了熔覆过程的热输入、冷却速率与组织演化，是获得强韧、耐蚀且高抗磨损-腐蚀性能材料的最佳工艺方案，对指导高性能表面防护涂层的实际制备具有明确的理论价值与应用意义。
[0075]当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
说明书附图(6)
声明：
“超声喷丸强化激光定向沉积IN718合金的制备方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：山东科技大学
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2026年08月06日 ~ 08日 
