《Journal of Alloys and Compounds》：Composition dependent laser-material interactions and microstructural evolution in directed energy deposited Alloy 718-YSZ gradient tracks
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摘要
功能梯度合金718-YSZ系统通过激光定向能量沉积-粉末送入(DED-LB/p)工艺制备，为高温应用中将结构金属与热绝缘陶瓷集成提供了潜在路径。然而，由激光与金属-陶瓷不同粉末相互作用引起的成分依赖熔池行为及微观结构演化尚未充分理解。本研究考察了梯度
摘要
功能梯度合金718-YSZ系统通过激光定向能量沉积-粉末送入(DED-LB/p)工艺制备，为高温应用中将结构金属与热绝缘陶瓷集成提供了潜在路径。然而，由激光与金属-陶瓷不同粉末相互作用引起的成分依赖熔池行为及微观结构演化尚未充分理解。本研究考察了梯度成分对固化熔池特征及组成梯度合金718-YSZ单轨(每步10?wt%)的微观结构变化的影响，所有样品在恒定加工参数下沉积。结果显示，固化熔池中出现合金718富集区与YSZ富集区明显的相分离，主要受金属与陶瓷相差异熔化行为及有限润湿性驱动。随着YSZ含量增加，陶瓷微结构从烧结或部分熔融晶粒转变为完全熔融固化的柱状晶粒，其微硬度表现亦显示陶瓷富集区硬度上升。尽管YSZ激光吸收率低，100?wt% YSZ样品仍实现了完全熔融固化，这归因于局部热滞留效应。裂纹行为由微观缺陷及金属与陶瓷分离区的热膨胀不匹配共同控制。本研究系统阐明了合金718-YSZ体系全成分范围内的成分依赖熔化行为、相分离机制及微观结构演化规律。
论文解读
随着先进制造技术的发展，功能梯度材料(FGMs)因能够在单一部件中实现成分与性能平滑过渡而受到广泛关注。在高温结构件领域，将高强度合金与热绝缘陶瓷结合，可同时满足机械承载与耐热保护需求。合金718(镍基沉淀硬化超合金)具有高温强度、耐腐蚀性及良好焊接性，但在长期高温(>650?°C)下易发生氧化、相不稳定及微观结构退化，影响使用寿命。YSZ(氧化钇稳定氧化锆)因低导热率、高熔点及良好相稳定性，常作为热障涂层。然而传统热喷涂方法易产生尖锐金属-陶瓷界面，热循环中产生高界面应力，导致剥离或开裂。因此，采用DED-LB/p工艺制备合金718-YSZ梯度层，可在梯度方向实现性能平滑过渡，减少界面应力并改善结合强度。以往研究多关注部分金属-陶瓷梯度，尚缺乏全成分范围的系统研究。
本研究在恒定激光功率、扫描速度及粉末送入速率下，通过10?wt%步进沉积单轨样品，系统分析了成分梯度对熔池几何、微观结构及裂纹行为的影响。采用光学显微镜、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、能谱分析(EDS)、电子背散射衍射(EBSD)及维氏显微硬度测试等表征手段，对金属-陶瓷区域的相分布、晶粒结构及微硬度进行了精细分析。样品基体为10?mm厚热轧合金718板，粉末供应包括商用合金718与8?wt% YSZ粉末。
研究结果显示，合金718-YSZ单轨沉积过程中，熔池表现出明显的金属-陶瓷相分层。低YSZ含量(≤10?wt%)时，熔池金属区形成柱状树枝晶，陶瓷呈未熔或部分熔融状态，分布不均。随着YSZ含量升高(20–90?wt%)，熔池几何由凸起逐渐转平，再至凹形，陶瓷相扩散更均匀，呈现部分熔融到完全熔融的过渡。YSZ高含量(≥90?wt%)样品中，陶瓷形成完全熔融固化柱状晶粒，微观结构均匀，孔洞及缺陷明显减少。金属区域始终保持树枝晶结构并含Nb富集Laves相，微硬度稳定约280 HV；陶瓷区域微硬度随YSZ含量上升，从约250 HV增长至1725 HV，表明熔融-固化程度与晶粒结构改善直接影响硬度。裂纹主要集中于陶瓷富集区，由金属-陶瓷热膨胀不匹配及微观缺陷驱动，金属-陶瓷界面结合良好，无明显化学反应产物或中间相形成。
该研究明确了DED-LB/p条件下合金718-YSZ系统的成分依赖熔化行为、相分离机制及微观结构演化规律，为高温应用的梯度涂层设计提供实验基础与理论指导。
关键技术方法概括：采用12?kW Yb:YAG激光(λ=1.03?μm)结合双料斗同轴粉末送入系统，固定激光功率、扫描速度及粉末流量进行梯度沉积；样品表征采用光学显微、FE-SEM、EDS、EBSD及维氏微硬度测试，分析熔池几何、相分布及微结构演化。
主要研究结果包括：
**熔池几何与相分离**：随着YSZ含量增加，熔池深度由0.3?mm增至约1?mm，随后趋于0.8?mm，熔池由凸型过渡到凹型，金属区和陶瓷区分布显著分层，部分金属被陶瓷捕获，显示密度差与湿润性影响熔池混合。
**陶瓷微结构演化**：低YSZ含量形成烧结或部分熔融晶粒，中等YSZ含量出现粗大非均匀晶粒和缺乏熔合的孔洞，高YSZ含量形成完全熔融固化柱状晶粒，EBSD分析显示ZrO?存在四方(tetragonal)、立方(cubic)和斜方(orthorhombic)三种相。
**界面特性与裂纹**：金属-陶瓷界面结合良好，呈外延生长，裂纹主要沿陶瓷颗粒间界面及未熔合区传播，金属颗粒未直接参与裂纹扩展。
**微硬度演化**：金属区维持约280?HV，陶瓷区随YSZ含量增加由250?HV提升至1725?HV，反映晶粒结构的完全熔融固化与缺陷减少对硬度的增强作用。
讨论与结论：差异化热物理特性导致金属先熔、陶瓷后熔，局部热滞留及激光多次反射效应提高陶瓷熔融效率。成分梯度设计可实现金属-陶瓷平滑过渡，改善界面结合及微观均匀性。研究系统揭示了全成分范围内合金718-YSZ梯度轨道的激光-材料相互作用、熔池几何变化、微结构演化及性能增强规律，为高温功能梯度材料开发提供了科学依据。论文发表于《Journal of Alloys and Compounds》。
