增材制造Inconel 625合金微观结构与晶粒形貌对微机械响应的协同作用机制研究

为解决增材制造(AM)金属材料因微观结构异质性导致的力学性能预测难题，研究人员通过同步辐射X射线衍射原位实验结合8M单元晶体塑性有限元(CPFEM)模拟，揭示了激光粉末床熔融(LPBF)工艺形成的织构化"轨迹"微观结构对Inconel 625微机械响应的调控机制，发现微小织构变异与AM特有晶粒构型共同导致屈服后显著响应差异，为AM材料认证提供了关键微观尺度认知。

　　

在金属材料领域，增材制造(Additive Manufacturing, AM)技术正引发一场革命，但其非平衡加工过程产生的独特微观结构给关键部件认证带来严峻挑战。与传统锻造材料相比，AM金属在快速凝固、大温度梯度和热循环作用下形成的织构(texture)和晶粒形态学(morphology)变异，导致宏观力学性能预测与微观实际响应间存在显著鸿沟。以镍基高温合金Inconel 625(IN625)为例，激光粉末床熔融(Laser Powder Bed Fusion, LPBF)工艺产生的柱状晶粒与精细晶粒交替的"轨迹"结构，使得基于传统均质化假设的力学模型往往失效。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的研究团队创新性地采用同步辐射高能X射线衍射(High-Energy X-ray Diffraction, HEDM)原位压缩实验，结合800万单元规模的晶体塑性有限元(Crystal Plasticity Finite Element Method, CPFEM)虚拟微结构模拟，首次系统解析了AM-IN625中织构组分与晶粒形貌对微机械响应的协同调控机制。研究发现，尽管材料本身具有高弹性各向异性，但屈服后的微机械响应变异主要源于LPBF工艺特有的<1.5%织构差异和独特晶粒空间构型，这一结论发表在《Materials Science in Semiconductor Processing》上，为AM材料的多尺度建模提供了新范式。

关键技术方法包括：(1)从美国国家标准与技术研究院(NIST)AM基准测试系列获取LPBF-IN625样本；(2)在康奈尔高能同步辐射光源(CHESS)FAST线站进行原位压缩衍射实验；(3)采用细胞自动机生成虚拟微结构；(4)开发集成虚拟衍射仪的CPFEM框架；(5)建立基于晶格应变(lattice strain)的纤维平均分析模型。

【Material】部分显示，实验样本取自NIST AMB2018-01基准桥结构，采用EOS M270设备以特定参数打印，电子背散射衍射(EBSD)证实存在<001>织构的柱状晶与等轴晶混合结构。

【Experiment】结果表明，6个相邻取样试样的宏观应力-应变曲线虽聚类但未按应变率排序，而微尺度晶格应变演化显示，<111>和<100>纤维取向晶粒在屈服后呈现显著分化，响应差异达200MPa以上。

【Discussion】通过CPFEM模拟揭示，传统认为主导响应的强度-刚度方向比(fiber-averaged directional strength-to-stiffness)在AM材料中退居次要地位，LPBF特有的"轨迹"结构导致局部应力集中与晶间相互作用增强，是微机械响应变异的主因。Witzen等报道的几何必需位错(geometrically necessary dislocations)高密度特征进一步放大了这种效应。

【Summary and conclusions】强调AM材料认证必须同时考虑织构成分和工艺特异性形貌的高保真表征。该研究建立的实验-模拟协同框架，不仅适用于IN625，还可推广至其他AM合金体系，为加速航天、能源等领域关键部件认证提供了方法论基础。尤其值得注意的是，研究发现AM微结构中<1%的织构变异即可引发显著力学响应差异，这一发现对AM工艺参数优化具有直接指导价值。