近日，我院韩恩厚院士与孙桂芳教授团队合作在水冷条件控制镍铝青铜合金微观结构演变方面取得重要进展。受镍铝青铜水下原位修复应用需求的启发，研究提出水冷条件是否有利于修复过程中形成适当的冷却速率，以防止粗大κ相的形成。采用陆上激光直接金属沉积和水下激光直接金属沉积技术对镍铝青铜基板上的梯形凹槽进行修复，系统阐明了快速冷却速率对于镍铝青铜多类型κ析出相的多重影响。相关研究成果已于近日发表在国际制造领域TOP期刊《Journal of Materials Processing Technology》。东南大学机械学院博士生贾志远为论文第一作者，孙桂芳教授与我院韩恩厚院士为论文的共同通讯作者。研究成果受到了国家重点技术领域基金、广东省海上风电联合基金、深圳市科创委重大专项和中国博士后科学基金的支持。

　　论文题目《Tailoring microstructural evolution in laser deposited nickel-aluminum bronze alloy by controlling water cooling condition》

　　镍铝青铜（NAB）是添加了镍、铁和锰的二元铜铝合金，因其高强度、良好的延展性和韧性、高抗各种形式的凯发k8国际首页登录（特别是在海洋环境中）以及优异的耐磨性和抗气蚀性而受到重视。用 NAB 合金制造船舶螺旋桨等大型结构既耗时又复杂，使得这些部件价格昂贵。因此，为了延长使用寿命，最好进行维修而不是更换。然而，对于螺旋桨等长期在水下服役的大型部件，传统的修复方法需要将其运输到岸上，既耗时又费力。团队提出是否可以实现NAB合金大型构件的水下原位修复。

　　因此，有必要研究NAB合金在水下原位修复过程中水冷条件下各种κ相的显微组织演化特征，以及NAB构件在后续热处理无法进行的条件下的修复性能。研究团队采用水下激光金属沉积技术(Underwater direct metal deposition, UDMD)在水下环境(30 m压力)原位修复镍铝青铜构件。这项研究表明，完全水冷的环境可以为铜合金制造过程中的微观结构控制提供新的工艺参考。

　　首先，通过数值模拟初步验证了水下修复的适宜冷却速率。由于水冷却条件的影响减少了热量积累。U-NAB的熔池尺寸小于A-NAB的熔池尺寸。另一个影响是U-NAB冷却过程中温度梯度大。根据NAB微观结构的温度依赖性，我们将冷却速率分为两部分。对于1060℃到800℃温度范围的冷却速率，U-NAB是A-NAB的1.45倍，800-300℃温度范围是A-NAB的7.56倍。

　　图1 修复过程中28秒时的温度场分布和熔池尺寸。 (a) 陆上修复过程（DMD），(b) 水下修复过程（UDMD）

　　图2 修复过程示意图。（a）多层沉积的扫描程序和模拟水下修复（UDMD）的实验装置， (b) 陆上修复和水下修复样品的宏观形貌

　　实验结果表明，UDMD 过程中的快速冷却速率会产生独特的微观结构。与DMD修复样品相比，层间热影响区宽度和纳米κⅡ相平均尺寸均减小，修复样品中均未观察到κⅣ析出物。一个有趣的发现是κⅢ相弥散分布在基体中，且沉积过程中基底上的热暴露导致热影响区的κⅡ相轻微生长。拉伸试样均断裂基材区域而不是修复区域。该研究证明了大型铜合金构件水下原位修复的可行性，也可为合金制造过程中通过外部环境条件控制微观组织的演变提供新的工艺参考。

　　图3 修复结果。（a）水下修复的微观结构，（b）陆上修复的微观结构，(c) 修复构件的断裂位置，(d) 修复构件的拉伸结果

　　镍铝青铜合金制造工艺从慢到快的冷却速率为：WAAM < DMD < UDMD < SLM。冷却速率显着影响 NAB 合金中的多重 κ 相变，具体转变结果如图4所示。UDMD技术通过快速冷却速率形成了等轴状的α基体以及更加细小的κ析出相，但与此同时，又避免了过快的冷却速率而未形成硬脆的马氏体组织。

　　图4 制造过程中不同冷却速率下镍铝青铜的典型显微组织。 （a）铸造，(b) 陆上激光直接金属沉积（DMD），(c) 水下激光直接金属沉积（UDMD），(d) 选择性激光熔化（SLM）

　　该研究阐明了水下环境影响微观结构和力学性能演变的机制。水冷条件下冷却速率的发现，为NAB合金乃至其他合金的修复（或制造）中获得性能良好的显微组织提供了新的工艺控制参考。这也为未来大型构件的水下原位修复奠定了理论基础。