腐蝕頂刊：發現鈍化膜可誘導織構金屬電化學活性各向同性

2020-10-01 材料material

實現大型複雜結構的一體化成形是飛機減重的重要思路。高沉積速率雷射立體成形（high-deposition-rate laser solid forming, HDR-LSF）—電解加工（electro chemical machining）複合製造技術可實現金屬高性能大型複雜整體結構的高效率、低成本、輕量化製造，在航空發動機大型整體結構製造中應用前景廣闊。HDR-LSF凝固條件的顯著變化，會直接改變沉積態組織的織構特徵，並通過影響電解加工過程中的電化學活性，影響加工精度。因此，亟待開展相關研究，明晰HDR-LSF組織的織構演化規律，闡明晶體學織構對鈍化金屬電化學活性的作用機理，為提升我國航空發動機製造水平奠定基礎。


近日，青島理工大學山東省增材製造工程技術研究中心郭鵬飛副教授，聯合西北工業大學林鑫教授團隊和南京航空航天大學曲寧松教授團隊，針對航空發動機用鎳基高溫合金典型牌號Inconel718合金（國內牌號為GH4169），開展HDR-LSF實驗，基於雷射熔池形貌及溫度場數值模擬，揭示高沉積速率條件下沉積態組織織構的演化規律；觀察鈍化膜的原子尺度結構、成分特徵，利用點缺陷模型（Point Defect Model）理論，闡明鈍化膜誘導沉積態試樣電化學活性各向同性的作用機理。相關論文以題為「Passive behavior of nickel-based superalloys prepared by high-deposition-rate laser solid forming additive manufacturing」發表於腐蝕領域頂刊Corrosion Science。


論文連結：

https://doi.org/10.1016/j.corsci.2020.109036


本研究涉及的雷射立體成形技術沉積速率高達1.2kg/h。EBSD結果顯示， HDR-LSF Inconel 718合金具有較弱的（001）纖維織構。根據CET模型理論，通過對雷射立體成形過程中的溫度場進行數值模擬，發現與傳統的雷射立體成形相比，HDR-LSF雷射熔池的溫度梯度小了近一個數量級，這在一定程度上降低了雷射熔池的外延生長效應。另外，HDR-LSF過程中，熔池熔合線的大曲率以及交錯掃描策略，使得熔池內部不同位置以及層與層之間的溫度梯度方向差異明顯，促進了柱狀枝晶的競爭生長，弱化了其織構強度。


圖1.高沉積速率雷射立體成形Inconel718合金（a-d）豎直截面和（e-h）水平截面上的EBSD圖


圖2.Inconel 718合金在高沉積速率雷射立體成形和傳統雷射立體成形過程中雷射熔池的（a-d）溫度場分布和（e-h）溫度梯度分布


圖3.Inconel 718合金的凝固組織選擇圖譜


電化學測試結果顯示，沉積態Inconel718合金的鈍化電流和穩態鈍化電流（ISS）表現出各向同性，與織構無關。另外，鈍化膜均表現出P-型半導體導電特性，即陽離子空位是其主要缺陷類型。鈍化膜的原子尺度結構和成分分析，不難發現，鈍化膜具有雙層結構且金屬/膜界面是非共格的。根據PDM，

（1）

對於P-型鈍化膜，式（1）可簡化為，

（2）


即ISS與界面反應3和7有關，而與金屬/鈍化膜界面無關，即與金屬基體的織構無關。


圖4.沉積態Inconel718合金不同表面的（a）動電位極化曲線，（b）恆電位瞬態電流曲線和（c-d）不同頻率下的Mott-Schottky曲線


圖5.鈍化膜的高分辨透射電鏡圖及其成分特徵


圖6.基於點缺陷模型（PDM）的界面反應中缺陷產生和消失的示意圖


*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。

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