Inconel 718是通过基于电弧的定向能量沉积工艺制造的，该工艺辅以原位层间热锻造技术

《Materials Science and Engineering: A》：Inconel 718 fabricated via arc-based directed energy deposition assisted with in situ interlayer hot forging

针对Inconel 718通过弧基定向能量沉积（DED）制造的零件晶粒粗大、取向一致导致性能不足的问题，本研究提出在位层间热锻（HF）技术。HF通过热变形在近表面形成动态再结晶区（约1mm），经后续热处理后扩展为均匀细晶结构（约72%等轴晶），消除立方织构，显著提升高温抗拉强度（650℃）和屈服强度，满足AMS 5662标准要求，并首次实现DED工艺材料同时满足晶粒尺寸、延伸率和高温强度的综合标准。

　　本研究探讨了通过“in situ”（原位）层间热锻造（HF）对通过电弧增材制造（DED）工艺制备的Inconel 718合金微观结构和高温拉伸性能的影响。通过HF处理，可以显著改善材料的微观结构，使其满足工业标准AMS 5662的要求，包括晶粒尺寸、延伸率和高温屈服强度。这项研究填补了关于通过DED工艺制备的Inconel 718材料在高温性能方面的空白，同时为未来的增材制造技术优化提供了新的思路。

在增材制造过程中，特别是电弧增材制造（如DED），材料通常表现出粗大且定向的微观结构，这主要由固相线附近的热梯度和沉积过程中热源的局部作用所导致。这种粗大定向的晶粒结构不仅影响材料的机械性能，还可能限制其在航空航天等关键领域的应用。为了解决这一问题，研究者尝试将传统的焊接和铸造技术中用于细化微观结构的方法应用于DED工艺，包括层间机械变形（IMD）等技术。其中，HF技术因其能够结合沉积与变形过程，从而减少对设备路径规划的限制，被认为是一种有效的解决方案。

HF技术的核心在于其“in situ”（原位）的特性，即在沉积过程中对新沉积的材料进行热变形处理。这种方法利用了一种共轴的变形/沉积工具，可以在沉积的同时对材料进行锻造，从而避免了传统层间滚动或敲击等方法所需复杂的设备配置。通过HF处理，可以诱导出动态再结晶区和变形区，这些区域在后续的沉积和热处理过程中会经历进一步的再结晶，最终形成更细小、接近等轴的微观结构。这种微观结构的优化不仅提升了材料的强度，还显著改善了其各向同性行为，使得材料在高温下的性能更加稳定和可靠。

研究通过显微镜、电子背散射衍射（EBSD）和同步辐射X射线衍射（SXRD）等技术对材料的微观结构进行了详细分析。结果表明，HF处理显著降低了材料的晶粒尺寸，并减少了晶粒的定向性，从而提升了材料的高温性能。在热处理过程中，材料的晶粒边界迁移和再结晶现象更加明显，最终形成的微观结构与传统铸造或焊接材料相比更加均匀和稳定。这些变化不仅影响了材料的力学性能，还对材料的延展性和断裂模式产生了重要影响。

在高温拉伸测试中，HF处理后的材料表现出接近各向同性的行为，这与其更细小、非定向的微观结构密切相关。相比之下，未经HF处理的材料在不同方向上表现出明显的各向异性，这主要是由于其粗大定向的晶粒结构和晶粒取向导致的。通过HF处理，材料在垂直和水平方向上的屈服强度和抗拉强度均得到显著提升，尤其是垂直方向上的性能，符合AMS 5662的标准要求。这种改进不仅体现在强度指标上，还体现在材料的延展性上，使得HF处理后的材料在高温下具备更好的综合性能。

尽管HF技术能够显著提升材料的性能，但其在工业应用中的推广仍面临一些挑战。首先，HF技术增加了增材制造系统的复杂性和成本，这可能会对大规模生产造成一定影响。其次，HF技术的实施需要精确控制沉积参数和变形深度，以确保其效果不会被后续的沉积过程所抵消。因此，在某些对性能和微观结构要求不高的应用场景中，可能并不需要采用HF技术，而更适合采用传统的沉积方法。

此外，HF技术还为增材制造中的修复应用提供了新的可能性。由于DED工艺常用于修复部件，但其粗大的微观结构可能导致修复区域的性能低于基材，因此HF技术能够通过优化微观结构，提升修复区域的性能。这种能力在需要高温处理的合金中尤为重要，因为高温处理可能会破坏基材的性能。通过HF技术，可以在修复过程中实现微观结构的优化，从而确保修复区域与基材的性能一致。

总的来说，HF技术为通过电弧增材制造工艺制备的Inconel 718材料提供了一种有效的微观结构优化手段。它不仅能够显著改善材料的高温性能，还能够提升其各向同性，使其满足严格的工业标准。尽管存在一定的实施挑战，但HF技术在特定应用场景中展现出了巨大的潜力，尤其是在需要优化微观结构和提升性能的复杂部件制造和修复领域。未来的研究可以进一步探索HF技术在不同合金和工艺条件下的适用性，以及如何优化其实施过程以降低成本和提高效率。