激光粉末床熔融制备Inconel 718合金中晶界不规则性对冲击韧性的影响机制研究

本研究针对激光粉末床熔融（LPBF）制备的Inconel 718合金冲击韧性显著低于锻造工艺（仅34.7%）的核心问题，通过仪器化夏比冲击试验和微观结构表征，揭示了晶界不规则性导致几何必需位错（GND）积累的失效机制，为增材制造高温合金的损伤容限设计提供了关键理论依据。

　　

研究背景
在航空航天和能源领域，Inconel 718镍基高温合金因其优异的高温强度和耐腐蚀性成为关键材料。传统锻造工艺虽能获得良好力学性能，但复杂构件成型困难且成本高昂。激光粉末床熔融（LPBF）作为增材制造的代表性技术，虽能实现复杂结构一体化成型，但打印件常出现冲击韧性骤降的致命缺陷。尤其当构件承受动态载荷时，材料内部晶界形态的微小差异可能引发灾难性断裂。这一"成型自由度高但性能不稳定"的矛盾，严重制约了LPBF技术在关键承力部件中的应用。

研究方法
中国科学院金属研究所团队在《Materials Characterization》发表的研究中，采用对比研究设计：选取LPBF制备和传统锻造的Inconel 718合金，通过仪器化夏比冲击试验定量分析能量吸收差异（7.5 J vs 21.6 J），结合电子背散射衍射（EBSD）表征晶粒尺寸分布和球形度参数，利用扫描电镜（SEM）解析断口形貌特征，并通过能量分配模型量化裂纹萌生与扩展阶段的能耗占比。

研究结果

1. 冲击性能差异
   LPBF试样冲击吸收功仅为锻造试样的34.7%，裂纹萌生阶段能耗占比高达85%，而锻造试样72%的能量消耗于扩展阶段，显示后者具备更优异的裂纹尖端钝化能力。

2. 微观结构机制
   EBSD分析揭示LPBF材料存在双峰晶粒分布：细小等轴晶区（<10 μm）与超大不规则晶粒（>100 μm）共存，球形度参数较锻造试样降低37.2%。这种形态差异导致几何必需位错（GND）在晶界处异常积累，形成局部应力集中。

3. 断裂行为解析
   断口分析显示LPBF材料以准解理断裂为主，微孔尺寸分布呈现双峰特征（0.5-2 μm与5-8 μm），对应细小析出相界面和粗大晶界处的空洞形核；锻造试样则表现为典型的韧窝断裂，微孔通过应变硬化持续扩张至50-120 μm。

结论与意义
该研究首次建立LPBF工艺参数-晶界不规则度-冲击韧性衰减的定量关联，阐明超大不规则晶粒通过促进GND积累而加速裂纹萌生的物理本质。发现85%能量消耗于裂纹萌生阶段的特征，为优化打印策略（如层间旋转角度、扫描间距）提供明确方向。研究提出的"晶界形态调控优先于单纯晶粒细化"的设计原则，对开发抗冲击增材制造高温合金具有指导价值，相关成果已应用于某型航空发动机涡轮盘的工艺优化中。