由异质晶粒结构在增材制造的Inconel 718超级合金中实现的优异强度-韧性组合

《Materials Research Bulletin》：Excellent Strength-Ductility Combination Induced by Heterogeneous Grain Structures in an Additively Manufactured Inconel 718 Superalloy

激光粉末床熔融制备的IN718超合金在成形方向（TD）表现出优异的强度-塑性协同效应，其异质多晶结构通过原位EBSD和DIC分析证实，空间分布和晶体学取向的异质性共同强化了材料并抑制了塑性损失，同时显著降低各向异性。

　　

江文祥|刘俊霞|程晓鹏|黄帅|陈冰清

北京工业大学材料科学与工程学院，中国北京100124

摘要

在增材制造的IN718超级合金中，机械各向异性已被广泛报道，通常表现为当加载方向与横向平行时，强度提高但延展性降低。在这项研究中，我们展示了激光粉末床熔融IN718合金在横向方向上具有优异的强度-延展性组合，与建造方向相比，仅损失了最小的延展性，同时显著提高了强度。这种优异的拉伸性能也使得各向异性的程度得到了理想的降低。原位电子背散射衍射和微观数字图像相关分析表明，由于独特的异质晶粒结构，强化和异质变形诱导的应变硬化在实现这种卓越的强度-延展性协同作用中起着关键作用。这项工作为通过在晶粒尺度上定制空间和晶体学异质性来设计高性能的增材制造合金提供了一种有前景的方法。

引言

近年来，金属增材制造技术因其能够生产出净形状、几何复杂、轻量且定制化的金属部件而受到了广泛关注，这些部件应用于航空航天、汽车、能源和生物医学领域[1]、[2]、[3]。然而，由于熔池内晶粒的非均匀凝固和外延生长，增材制造的合金本质上具有异质晶粒结构[4]、[5]。高度各向异性的微观结构进一步导致了合金的各向异性机械性能[6]、[7]、[8]、[9]。虽然这种各向异性限制了需要各向同性和均匀特性的应用，但对于需要在特定应用中实现定向或异质性能的部件来说，它却具有优势[12]。此外，增材制造合金的固有异质性可以用来在特定加载方向（LD）上同时提高强度和延展性[9]、[10]。这种增强主要归因于额外的加工硬化机制，包括异质变形诱导的（HDI）硬化[11]、变形孪生[12]和马氏体转变[13]。

在这里，我们关注Inconel 718超级合金（IN718），该合金在航空航天和能源工业中得到广泛应用[14]、[15]、[16]。IN718是一种沉淀强化的镍基超级合金，具有高强度、优异的蠕变抗力和高温下的良好耐腐蚀性[17]。其出色的机械性能主要源于γ′和γ′′沉淀物，这些沉淀物提供了强大的沉淀强化[18]。对于增材制造的IN718而言，其微观结构也表现出明显的异质性，特别是在晶粒形态和晶体学纹理上，这导致这种超级合金的机械行为具有各向异性，即当加载方向与建造方向（BD）平行时强度降低，而沿横向（TD）时则表现出相反的趋势[19]。然而，各向异性的程度随微观结构特征而变化[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。这表明微观结构特征，特别是日益被认可的异质晶粒结构，可能显著影响加工硬化行为[27]。由于在室温和低应变率下难以发生变形孪生[28]，并且在这样的条件下马氏体转变几乎不可能发生，因此异质晶粒结构可能会影响机械行为，从而影响拉伸各向异性的程度[29]。尽管许多研究关注了增材制造IN718在不同加载方向下的微观结构特征与拉伸性能之间的关系[30]、[31]、[32]、[33]，但通过原位技术直接观察的定量研究仍然有限。

在本研究中，通过激光粉末床熔融（LPBF）工艺制备了具有异质晶粒结构的IN718超级合金。当加载方向（LD）与横向（TD）平行时，这种异质晶粒结构实现了优异的强度-延展性组合，优于之前报道的微观结构。具体来说，当LD与TD平行时，屈服强度提高了130 MPa，而总伸长率仅减少了1%。结合原位电子背散射衍射（EBSD）、数字图像相关（DIC）和透射电子显微镜（TEM）的进一步表征表明，空间和晶体学上异质的晶粒结构在实现TD方向的优异强度-延展性组合中起着关键作用，这种出色的机械性能也使得各向异性的程度得到了理想的降低。在晶粒尺度上设计异质微观结构为开发高性能的增材制造合金提供了一条有前景的途径。

部分摘录

材料与拉伸测试

本研究中研究的IN718超级合金是使用配备400 W固体光纤激光器的LPBF系统制造的。使用了平均直径为21 μm的气雾化粉末（图1a），其名义成分见表1。制造参数设置为扫描速度为1000 mm/s、层间距为0.11 mm、层厚为40 μm，以及相邻层之间67°的旋转扫描策略（图1b）。最终打印出的IN718

打印合金的异质晶粒结构

图2显示了打印出的IN718超级合金的微观结构。侧面上可以看到多个鱼鳞状的熔池边界，而顶面上显示了角度为67°的层间冶金熔合界面（图2a）。此外，平均熔池厚度为41 μm，层间平均间距为102 μm。这些数据与设定的参数非常吻合，表明打印过程的稳定性。图2b

异质晶粒结构的形成

为了探索不同加载方向下晶体学纹理的形成，我们重点分析了单个熔池内晶粒的生长方向和加载方向（LD）对其施密特因子（Schmid factor）的影响（图11a）。值得注意的是，如图11b所示，晶粒沿着[0 0 1]方向外延生长，并垂直于熔池边界[53]。此外，α代表晶粒生长方向与X轴之间的角度。实验数据表明

结论

本研究阐明了通过LPBF制造的打印IN718超级合金的独特异质晶粒结构与其机械性能之间的关系。基于原位EBSD和DIC表征，揭示了晶粒尺度的晶体学取向和局部应变演变，而微观变形进一步通过TEM进行了表征。重要发现总结如下：

• (1)
  样品H中更明显的空间和晶体学异质性导致

作者贡献声明

陈冰清：资源提供。刘俊霞：写作 – 审稿与编辑、监督、概念构思。江文祥：写作 – 原稿撰写、方法学设计。黄帅：资源提供。程晓鹏：实验研究、数据分析

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢北京自然科学基金（2232042）和中国博士后科学基金（2024M763361）的支持。