通过激光粉末床熔融技术增材制造的316L/Inconel 625梯度多材料合金的微观结构与力学性能

《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》：Microstructure and mechanical properties of 316L/Inconel 625 gradient multi-material additively manufactured by laser powder bed fusion

本研究首次通过激光粉末床熔融（LPBF）工艺采用阶梯式成分变化制造316L/Inconel 625梯度材料，实现了低孔隙率（<0.1%）和微裂纹可控。显微分析显示梯度区晶粒细化（D50 15-44.8μm）且析出物分布均匀，硬度随Inconel 625含量增加从230HV0.5升至302HV0.5。拉伸测试表明纵向取向梯度材料的屈服强度（597MPa）和抗拉强度（785MPa）显著高于横向（527MPa和624MPa），裂纹多沿晶界延伸。热力学模拟证实Nb和Mo含量升高促进M23C6碳化物析出，固溶强化主导硬度提升。

　　在现代工业制造中，随着对材料性能需求的不断提高，开发具有复杂结构和性能梯度的多材料组件成为了一个重要的研究方向。316L不锈钢和Inconel 625超级合金的组合梯度材料因其在不同温度和负载条件下表现出优异的综合性能，成为这种需求的关键候选材料。这种材料不仅具备316L的高耐腐蚀性，还继承了Inconel 625的高温强度，从而在广泛的应用场景中展现出显著的优势。例如，在酸性环境、高温高压阀门、石油化学设备、航空与航天部件、核反应堆组件、燃烧发动机内部壁以及水轮机耐磨部件等领域，这种材料具有广阔的应用前景。然而，传统的制造技术如粉末冶金、金属成型、扩散焊接和焊接工艺，难以满足这些材料在复杂形状和精确化学成分分布方面的制造需求，尤其是在防止层间剥离和裂纹形成方面存在局限。因此，采用激光粉末床熔融（LPBF）等增材制造技术，为实现这种梯度材料的制造提供了新的可能。

LPBF技术因其能够逐层精确控制材料成分和微观结构，被广泛应用于制造具有性能梯度的多材料组件。通过逐步改变材料配比，可以在单一构建过程中实现成分的梯度变化。本研究首次探索了采用这种技术制造316L/Inconel 625梯度多材料的可行性。研究结果显示，所制造的材料具有较低的气孔率和较少的微裂纹，且这些缺陷的存在并不影响其机械性能。材料混合不仅促进了微结构中细小等轴晶粒的形成，还导致了Laves相和碳化物在晶界和晶胞边界上的析出。通过电子衍射对析出相的分析表明，随着Nb和Mo含量的增加，M23C6型碳化物的析出量显著增加，这与Thermo-Calc计算结果相吻合。同时，硬度的提升主要归因于固溶强化效应，而梯度材料的横向排列在拉伸测试中表现出更高的强度，相较于纵向排列。

本研究的设计过程和梯度方案有效地降低了元素分离导致的脆性风险，这是定向能量沉积（DED）技术中常见的问题。通过对制造、化学成分、微观结构和机械性能之间的相互作用进行深入研究，我们展示了如何通过优化工艺参数和设计梯度方案，实现具有低气孔率和良好机械性能的梯度材料。在制造过程中，通过调整两个粉末容器的投放策略，使得在每一层中可以逐步增加Inconel 625的含量，最终达到100%的Inconel 625。该方法允许在相同的工艺参数下，实现从316L到Inconel 625的平滑过渡。

在制造过程中，对工艺参数进行了优化，以确保制造出的梯度材料具有最低的气孔率。通过制造不同比例的混合粉末测试样品，确定了最佳的激光功率、扫描速度和铺粉距离。例如，在制造测试样品时，激光功率从90W到170W进行调整，扫描速度保持在900mm/s，铺粉距离在60到100μm之间。这些参数的选择不仅确保了低气孔率，还使得单个材料的制造气孔率低于0.2%。最终，选择了激光功率130W、扫描速度900mm/s、铺粉距离80μm作为制造梯度材料的最佳参数，这些参数能够实现气孔率低于0.07%的制造效果。

为了评估气孔和内部裂纹，研究采用了X射线计算机断层扫描（CT）和光学显微镜（LM）图像分析相结合的方法。CT技术能够检测到较大的气孔和缺乏融合区域，而LM图像分析则用于检测较小的气孔和内部裂纹。研究结果表明，所有梯度区域的气孔率均低于0.1%，其中316L区域和含有20%、40% Inconel 625的梯度区域表现出略高的气孔率。这表明虽然混合粉末的制造过程中存在一定的挑战，但通过合理的工艺参数选择和梯度设计，可以有效控制气孔率。

热分析结果显示，随着Inconel 625含量的增加，液相线和固相线温度逐渐降低。例如，316L的液相线温度为1442°C，而Inconel 625的液相线温度为1359.9°C。这种温度的变化与材料的化学成分变化密切相关，有助于理解材料在制造过程中的相变行为。此外，研究还通过Scheil固相线模型模拟了固相线和液相线之间的关系，揭示了梯度区域在固相线接近1时的裂纹倾向。这些模拟结果与实验观察到的微裂纹分布趋势一致，进一步证明了梯度区域在制造过程中的稳定性。

微观结构分析显示，316L和Inconel 625区域的晶粒呈现不同的特征。316L区域的晶粒为随机取向，呈V形且沿构建方向延伸，而Inconel 625区域的晶粒则为等轴晶粒，且具有较低的形状因子。在混合梯度区域，晶粒尺寸和形状均有所变化，主要表现为晶粒尺寸的减小和形状因子的降低。这些变化可能与材料在制造过程中的局部成分不均匀和热应力有关。

通过STEM-EDS分析，研究发现混合梯度区域的晶界和晶胞边界存在明显的元素富集现象。例如，在混合区域，Mo和Nb的浓度在晶界处显著增加，而这些元素是形成Laves相和碳化物的关键成分。此外，通过TEM和SAED分析，确认了这些析出相的组成和形态，为理解材料的强化机制提供了重要依据。随着Inconel 625含量的增加，M23C6型碳化物的析出量显著增加，这与热力学模拟结果一致。

机械性能测试表明，梯度材料在横向排列时表现出更高的强度。横向排列的样品在拉伸测试中显示出更高的屈服强度和抗拉强度，而纵向排列的样品则在延展性方面有所下降。这种现象可能与材料在拉伸过程中局部应力分布和变形行为有关。此外，通过数字图像相关（DIC）技术，研究发现横向排列的样品在弹性变形阶段表现出更高的应变，而在塑性变形阶段则主要集中在316L区域，这表明横向排列的样品在应力传递过程中具有更好的分布特性。

通过综合分析制造工艺、化学成分、微观结构和机械性能之间的关系，本研究展示了如何通过优化工艺参数和梯度设计，实现具有低气孔率和良好机械性能的梯度材料。此外，研究还揭示了梯度材料在不同方向排列时的机械性能差异，为实际应用中材料的设计和制造提供了重要的理论依据和实践指导。这些发现不仅有助于提升梯度材料的制造技术，还为相关领域的研究提供了新的视角和方法。