Inconel718(GH4169/gh169)镍基合金耐磨性 硬度 船舶 耐海水 腐蚀

Inconel 718因其强度和耐用性而通常用于海事和航空航天行业，特别是在磁盘、风扇叶片和高压压缩机等发动机旋转部件中。作为一种新型的3D打印技术，定向能量沉积（DED）可以使用激光熔化金属粉末或电线，直接从定制数据中制造任意形状的工件，从而使加工更加协同和直观。然而，DED印刷Inconel 718样品的表面性能，如表面粗糙度和耐磨性，通常低于标准。通过在近表面引入严重的塑性变形，超声波纳米晶体表面改性（UNSM）可以用作后处理方法，并导致性能改变。单轴拉伸试验显示，UNSM处理的Inconel 718具有更高的机械性能。此外，根据平面上缸协议使用熔断测试钻机，可以观察到UNSM处理的Inconel 718具有更高的耐磨性。本研究采用有限元方法来充分理解联合国军对磨损性能的影响。Inconel 718合金的磨损过程是使用基于能量的有限元模型建立的。考虑到严峻的实际场景，实施了Johnson-Cook本构模型，线性各向同性硬化模型捕获了塑料行为。与实验测量相比，有限元结果显示了前所未有的磨损损失一致性，误差小于2%。因此，我们得出结论，本研究中构建的有限元模型具有很高的准确性，可用于分析UNSM对磨损行为的影响。根据有限元分析，随着正常负载的增加，UNSM引起的耐磨性改善会降低。鉴于有限元模型基于能量法，分别研究了UNSM修改的摩擦系数（COF）和磨损系数的影响。根据调查结果，UNSM修改的COF和磨损系数在确定磨损特性方面发挥着重要作用。由于通过磨损从Inconel 718表面的中心区域去除了大量材料，也可以观察到严重的塑料应变主要集中在磨损疤痕的边缘。

介绍

在简化的基础上，超合金是含有至少一种镍、钴或铁元素的合金，在极端环境中表现出高性能和优异的稳定性1。由于每种类型的超合金中存在各种元素，通过多年的工业生产，已经开发了定制的性能和应用2,3,4。其中一个超级合金，即镍基合金，具有非凡的机械强度和抗蠕变性5。Inconel 718是镍基超级合金家族，被认为是最常用的6。Alloy 718在航空航天、能源（石油、天然气）勘探和发电行业有广泛的应用7。具体来说，卓越的机械性能，包括对应力水平和温度（高达1400°C）的高耐受性，使其有资格在特别恶劣的环境中使用。值得注意的是，Inconel 718广泛用于关键机械部件，如核反应堆以及商用和军用飞机涡轮发动机8,9。随着全球能源短缺和对燃油效率的追求，航空航天业寻求将高机械性能和可靠性与轻质部件相结合10。

传统上，Inconel 718工件主要使用减法技术（例如铣削、车削和钻孔）和冶金工艺（焊接、铸造和锻造）11,12制造。然而，由于其非凡的机械性能，很难获得所需的复杂几何形状12。此外，传统加工中的刀具高度耐磨，导致过度停机和成本高13。为了应对上述问题，增材制造（AM）已投入生产，并作为一种新兴的加工和成型概念显示出前所未有的优势14。随着计算机辅助设计（CAD）软件的发展，定向能量沉积（DED）成为金属零件最先进的AM技术之一15。DED可以使用激光熔化金属粉末或电线，直接从定制的CAD数据中制造任意形状的产品。与其他AM技术相比，DED使Inconel 718的制造更具协同性和直观性，同时确保良好的整体性能保持。此外，DED保持的粉末或电线沉积率远高于SLM和EBM。它直接导致大型零件的快速原型，导致成本效益和产量的显著提高。此外，DED与多轴加工工具兼容，这有助于加工琐碎的表面细节，并改善了广泛后处理的集成。除了各种致密材料外，DED还可以制造功能分级材料（FGMs）。从SS316L到Inconel 718到基于SS304L基板的铜的分层结构是通过DED系统18实现的。在进行材料选择和设计时，有限元法（FEM）预测的应力分布将具有指导意义19。DED还可用于表面涂层、零件维护和修复缺陷，如空腔、裂缝和分层20,21,22。例如，具体来说，激光工程网塑（LENSTM）是一个基于DED的系统，用于Inconel 718内部缺陷修复23。光学显微镜观察显示，粘结组分具有良好的融合和平稳过渡，没有空隙夹杂物20。

压缩机盘、轴和涡轮机外壳面临烦动磨损，这是其主要工程挑战之一，导致材料损失、裂缝引发和磨损失效周期的显著减少24,25。颤动磨损是两个接触表面之间小振荡运动导致的近界面损伤的多学科行为。在DED的帮助下，镍基合金有可能应用于密封件、紧固件、船用仪器部件等，其形状难以加工，容易磨损26。与锻造合金相比，DED印刷合金往往会牺牲表面特性，并表现出不良的表面形态14,16,27。这是部分合金粉末飞溅和球状效应的结果，导致高粗糙度和差耐磨性。例如，DED制造的氧化锆硬化氧化铝（ZTA）表现出糟糕的平整度质量和粗糙度28。因此，不良的摩擦学属性严重限制了预期的应用领域29。为了定义和扩大Inconel 718的应用领域，需要进行表面质量检查和随后的修改。

作为一种先进的后处理技术，UNSM可以增强物质的近表面特性，并实现广泛的应用30,31,32。UNSM诱导表面严重塑性变形（SSPD）以及微观结构中的梯度晶粒层，这改变了材料的机械性能和表面粗糙度，从而提高了其耐磨性33。晶粒尺寸及其分布是微观结构的主要表现，UNSM能够将粗晶粒提炼成纳米颗粒（小至50纳米），其分布有梯度偏移34。晶粒尺寸在靠近表面的地方更细，并且在深度方向上逐渐增加。相当多的实验结果表明，联合国军部技术在优化机械和摩擦学性能方面发挥了有效作用35,36,37。通过调整定义明确的工艺参数（如正常负载、振幅、频率和进给率）来优化表面质量的能力是UNSM技术的最大优势之一34。UNSM为一组给定的工艺参数带来的粗糙度和硬度的平均增量值分别为58%和27%38。此外，Inconel 718的COF和磨损系数分别降低了18.18%和13.91%。

虽然烦躁磨损模拟被认为是一个重要的工程问题，但它是一个相对较新的计算研究领域。值得注意的是，由于计算能力39的快速发展，FEM已成为分析各种材料力学性能的最有效方法之一。Archard的模型和耗散能量模型是过去二十年来最流行的烦恼磨损计算算法。在Archard模型的基础上，开发了一个基于FEM的磨损过程标准数值程序24。Fouvry和Sauger40,41就基于能量的烦恼磨损计算及其应用进行了额外的研究。此外，还研究了这种用于航空发动机传动部件的高强度钢的磨损参数的演变。

与之前的研究相反，DED制造的Inconel 718的烦躁磨损行为不足。此外，有必要深入研究UNSM如何提高Inconel 718的耐磨性。为了研究联合国军备工团对磨损性能的影响，在这项工作中开发了一个基于能量耗散模型的有限元磨损模型。此外，还研究了每个UNSM优化参数对磨损性能的影响，以更深入地了解UNSM在增强材料耐磨性方面的机制。

实验细节

材料和测试台

最初，样品由激光65（DMG Mori）从Inconel 718粉末中打印，使用线切割系统，Inconel 718样品然后形成骨形状。然后用UNSM对样品的表面进行处理，形成硬化层。由于其极高的硬度，碳化钨被选为UNSM工艺中的打击球材料。