镍铝青铜合金水下激光定向能量沉积修复的微结构调控与性能研究

作者及发表信息
本研究由东南大学机械工程学院的Zhiyuan Jia、Mingzhi Chen、Kai Zhao、Guifang Sun（通讯作者），南京林业大学机电工程学院的Zhandong Wang，以及中国腐蚀与防护科学研究所（广州）的En-hou Han（共同通讯作者）合作完成，发表于《Journal of Materials Processing Tech.》2025年第335卷（论文编号118659）。

学术背景
镍铝青铜（Nickel-Aluminum Bronze, NAB）因其高强度、优异的耐海水腐蚀性和抗空蚀性，广泛应用于船舶螺旋桨等关键部件。然而，长期服役后NAB部件易出现选择性相腐蚀和空蚀损伤，传统岸上修复需拆卸部件，耗时耗力。本研究提出水下原位激光定向能量沉积（Underwater Direct Metal Deposition, UDMD）技术，旨在解决大型NAB构件水下修复的难题，并探究水冷条件对微观组织演化的调控机制。研究目标包括：
1. 验证UDMD技术修复NAB合金的可行性；
2. 对比水冷与空冷条件下微观组织差异；
3. 阐明冷却速率对κ相（κi、κii、κiii、κiv）析出行为的影响；
4. 评估修复后构件的力学性能。

研究流程与方法
1. 数值模拟与工艺设计
- 采用三维有限元法模拟岸上（DMD）与水下（UDMD）修复过程的温度场，建立高斯锥形热源模型，设定水冷对流系数（最高1102 W/(m²·℃)）。
- 验证方法：通过热电偶实测DMD过程温度曲线，与模拟结果对比（误差<10%）。
- 关键参数：激光功率3000 W，扫描速度1000 mm/min，层高1 mm，修复6层梯形槽。

1. 实验材料与制备

   • 材料：C95800 NAB合金粉末（平均粒径45 μm）及同成分铸态基板。
     
   • 设备：自主设计压力舱模拟30米水深（0.3 MPa），采用气幕喷嘴形成局部干区，实现粉末稳定输送。
     
   • 对比组：岸上DMD修复（A-NAB）与水下UDMD修复（U-NAB）。

2. 微观结构表征

   • 技术手段：光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、扫描透射电镜（STEM）、能谱分析（EDS）。
     
   • 样品处理：5% FeCl₃ + 25% HCl + 70% H₂O混合溶液蚀刻，离子减薄制备STEM样品。
     
   • 重点区域：修复区（RZ）、热影响区（HAZ）、κ相分布。

3. 力学性能测试

   • 拉伸试验：ASTM E8-2016标准，取样位置包含修复区与基体，测试屈服强度、抗拉强度及延伸率。
     
   • 冲击试验：ASTM E23-2018标准，夏比缺口试样，分析断口形貌。
     
   • 显微硬度：HV0.2载荷，间距250 μm，绘制横向与纵向硬度分布图。

主要结果
1. 温度场与冷却速率
- UDMD熔池尺寸较DMD减小20%（宽度1.54 mm vs. 1.91 mm），层间热影响区厚度从65±7 μm降至24±3 μm。
- 水下冷却速率显著提升：1060–800℃阶段达3657℃/s（岸上2281℃/s），800–300℃阶段为249℃/s（岸上33℃/s）。

1. 微观组织演化

   • 相组成：两种修复方式均抑制κi相（粗大Fe₃Al）和κiv相（α基体纳米析出）形成，但UDMD进一步细化κii相（平均尺寸0.36 μm vs. 1.28 μm）。
     
   • α相形貌：DMD生成魏氏体α，UDMD形成等轴晶（图8 vs. 图9），归因于水冷高温度梯度促进非均匀形核。
     
   • κiii相分布：UDMD中κiii（NiAl）呈弥散纳米颗粒，而非传统层状共析（图12f），与快速冷却抑制元素扩散相关。

2. 力学性能

   • 拉伸性能：修复区强度高于基体，断裂均发生于基体HAZ，UDMD与DMD试样抗拉强度较铸态下降约7%（553 MPa vs. 598 MPa）。
     
   • 冲击韧性：修复区断口以韧窝为主，但整体冲击功略低于铸态（20 J vs. 26 J），与细晶抑制变形孪生有关。
     
   • 硬度：修复区平均硬度237 HV，较基体（185 HV）提升28%，UDMD硬度分布更离散（图16）。

结论与价值
1. 科学意义
- 揭示了水冷速率（10³℃/s量级）对NAB合金κ相析出的临界调控作用，填补了传统铸造（10⁻³℃/s）与激光选区熔化（10⁵–10⁸℃/s）之间的工艺空白。
- 提出“快速冷却抑制κi粗化但避免β′马氏体脆化”的工艺窗口，为高导热合金微观组织设计提供新思路。

1. 应用价值
   
   • 验证了UDMD技术用于30米水深NAB构件原位修复的可行性，无需后热处理即可获得服役级性能。
     
   • 开发的局部干区气幕保护方法，解决了水下熔池稳定性难题（专利潜力）。

研究亮点
1. 创新方法：全球首次实现多道次水下NAB激光增材修复，突破传统单层涂层的局限。
2. 发现：水冷诱导κiii相弥散析出的新机制，显著提升修复区强韧性匹配。
3. 跨学科融合：结合计算热力学与实验冶金学，建立冷却速率-κ相形貌的定量关联模型。

其他价值
- 研究数据表明，UDMD工艺可推广至其他铜合金（如铝青铜）水下修复，为海洋工程装备维护提供技术储备。
- 发现的“κii相尺寸-冷却速率”反比关系（图18），为开发新型耐蚀高强铜合金成分设计提供依据。