激光辅助轧制定向能量沉积Hastelloy X的微观结构调控与力学性能强化机制研究

针对增材制造镍基高温合金存在的孔隙率高、柱状晶粒导致力学性能各向异性等问题，研究人员创新性地将原位轧制工艺引入激光定向能量沉积(L-DED)技术，通过实验与有限元分析(FEA)揭示了轧制力诱导的枝晶破碎、等轴晶细化及织构弱化机制，使Hastelloy X的室温屈服强度提升90%至651 MPa，为航空发动机燃烧室等关键部件的高性能制造提供了新思路。

　　

在航空航天领域，镍基高温合金Hastelloy X因其优异的高温强度和抗氧化性能，常被用于制造航空发动机燃烧室等关键部件。然而，传统激光定向能量沉积(L-DED)技术制造的该合金存在两个致命缺陷：一是快速冷却形成的柱状晶粒导致力学性能呈现显著各向异性，二是工艺固有的孔隙缺陷会显著降低材料服役寿命。更棘手的是，通过调整激光参数或添加合金元素等常规方法，仅能有限改善这些问题，还可能引入有害金属间化合物。

为突破这一技术瓶颈，苏州倍创增材制造有限公司（Suzhou Becreative-AM Co. Ltd）联合研究团队创新性地将原位轧制工艺整合到L-DED系统中，提出了一种名为"轧制辅助激光定向能量沉积"的复合制造技术。这项发表在《Materials Science and Engineering: A》的研究通过实验与有限元分析相结合，首次系统揭示了轧制力对Hastelloy X微观结构演变的影响规律，成功将材料室温屈服强度从341 MPa提升至651 MPa，增幅达90%，同时保持了10%以上的均匀延伸率。

研究人员主要采用四种关键技术方法：1) 自主研发的轧制辅助L-DED设备，保持激光头与轧辊间距16 mm实现高温变形；2) 使用48-120 μm球形Hastelloy X粉末，通过3 kN层间轧制力构建60层薄壁样品；3) 结合电子背散射衍射(EBSD)和X射线衍射(XRD)进行多尺度织构分析；4) 基于Johnson-Cook模型的有限元热-力耦合仿真，量化轧制渗透深度与应变积累。

【微观结构演变】通过EBSD分析发现，传统L-DED样品呈现典型的<110>//BD织构和66 μm柱状晶，而轧制辅助样品获得平均尺寸24 μm的等轴晶，织构强度从13.7降至2.2。SEM观察证实轧制力使枝晶破碎，中断了外延生长现象。

【力学性能提升】室温拉伸测试显示，轧制样品屈服强度(651 MPa)和抗拉强度(878 MPa)分别提升90%和35%，有限元分析表明这源于晶界强化(贡献162 MPa)和位错强化(贡献260 MPa)的协同作用。

【机理阐释】有限元模拟揭示：1) 轧制渗透深度达5个沉积层，但受重熔影响有效应变积累发生在n+1至n+4层；2) 高温(2479 K)与应变(>0.4)共存诱发亚动态再结晶(MDRX)，形成层状细晶结构；3) 轧制产生的法向应力闭合孔隙，剪切应力破碎枝晶。

这项研究的重要意义在于：首次证实轧制辅助L-DED可同步解决镍基高温合金增材制造的孔隙率和各向异性难题，通过热-力协同调控实现"工艺-结构-性能"一体化优化。所提出的层间应变积累模型为其他合金体系的复合增材制造提供了普适性理论框架，而仅需3 kN轧制力的工艺参数对大型构件的高效制备具有显著工程价值。特别值得注意的是，研究发现快速冷却会抑制MDRX完成，导致晶粒保留变形状态，这为后续开发轧制后热处理工艺指明了方向。