基于微观结构的增材制造Inconel 718各向异性蠕变行为建模研究

增材制造(AM)镍基高温合金在高温应用中的性能预测面临挑战。研究人员通过晶体塑性模型(CPFEM)和代表性体积单元(RVE)方法，系统研究了激光粉末床熔融(PBF-LB/M)制备的Inconel 718在650°C下的各向异性蠕变行为。研究发现双峰晶粒形态、晶体学织构和晶界滑移(GBS)共同决定了材料的蠕变各向异性，为增材制造高温合金的性能优化提供了理论依据。

　　

在能源和交通领域，镍基高温合金的增材制造(Additive Manufacturing, AM)技术因其能够制造复杂构件并降低成本而备受关注。然而，加工过程中产生的复杂微观结构缺陷严重影响了材料性能的可靠预测，这成为制约AM技术安全应用的主要瓶颈。特别是对于激光粉末床熔融(PBF-LB/M)制备的Inconel 718(IN718)合金，其高温蠕变行为的各向异性机制尚不明确，这给关键部件的设计和应用带来了巨大挑战。

传统制造方法生产的IN718合金性能已有深入研究，但AM工艺特有的快速凝固过程会形成独特的双峰晶粒结构和织构，这些微观结构特征与蠕变性能的关系亟待阐明。特别是在650°C高温下，晶粒形态、晶体学取向分布以及晶界滑移(Grain Boundary Sliding, GBS)等因素如何共同影响材料的各向异性蠕变行为，这些问题对确保AM高温部件的安全服役至关重要。

研究人员采用多尺度建模与实验相结合的方法，系统研究了PBF-LB/M制备的IN718合金的蠕变行为。首先通过单晶(SC)拉伸和蠕变试验标定了晶体塑性(Crystal Plasticity, CP)模型参数，然后构建了不同复杂度的代表性体积单元(Representative Volume Element, RVE)模型，逐步引入双峰晶粒形态、晶体学织构和GBS等微观结构特征，揭示了各因素对蠕变各向异性的贡献机制。

关键技术方法包括：1) 通过电子背散射衍射(EBSD)表征材料微观结构；2) 开展650°C下单晶和多晶试样的拉伸和蠕变试验；3) 开发考虑γ″相强化的晶体塑性模型；4) 构建包含不同微观结构特征的RVE模型；5) 采用内聚力模型模拟GBS效应。试样来源于采用相同工艺参数制备的PBF-LB/M IN718，包括垂直(VD)、水平(HD)和对角(DD)三种取向。

3.1 微观结构表征

EBSD分析揭示了AMed IN718特有的双峰微观结构：由沿构建方向(BD)延伸的细长晶粒组成的"柱状区"和由较小等轴晶组成的"基体区"。柱状区晶粒主要呈现〈011〉取向，而基体区晶粒则倾向于〈001〉取向。这种双峰结构源于较大的舱口距离(150μm)和交替激光扫描策略。

3.2 蠕变试验与模型参数拟合

单晶蠕变试验显示[001]取向的蠕变速率比[457]取向高约20倍。多晶试验表明三种取向的蠕变速率呈现明显各向异性：HD < VD < DD。基于单晶数据标定的CP模型成功预测了不同取向的蠕变行为，验证了模型在描述γ″相强化和八面体滑移主导的变形机制方面的可靠性。

3.3 模拟结果

通过七种RVE模型的对比研究发现：仅考虑平均取向分布的模型(I、III)低估了所有取向的蠕变速率；引入双峰取向分布(II、V)显著提高了HD和VD方向的预测精度；考虑晶粒形态(IV)改善了DD方向的预测；而加入GBS的模型(VI、VII)则成功解释了DD试样异常高的蠕变速率。RVE VII的综合预测误差最低，证实了双峰结构和GBS对蠕变各向异性的关键影响。

4.1 双峰取向分布的影响

研究发现基体区虽然体积分数较小(约25-28%)，但由于其晶粒具有更利于蠕变变形的〈001〉和〈011〉取向，成为整体蠕变行为的"薄弱环节"。这种"串联粘性元件"效应解释了为何小体积分数的基体区能显著提升整体蠕变速率。研究还通过模拟不同扫描策略下的取向分布，成功解释了文献中报道的相反各向异性现象。

4.2 晶粒形态的影响

细长晶粒结构在DD试样中产生了明显的取向效应：平行于最大剪切面的晶界使晶内变形约束降低。与等轴晶模型相比，包含真实晶粒形态的RVE模型显著提高了DD方向的预测精度，证实晶粒形态是除晶体学织构外影响蠕变各向异性的另一关键因素。

4.3 晶界滑移的影响

在DD试样中，仅考虑晶内变形的模型无法解释实验观测的高蠕变速率。引入GBS后，模型预测与实验结果吻合良好，表明在45°取向的试样中，GBS是导致异常高蠕变速率的主要原因。这与其他研究者在AMed IN738LC中观察到的GBS主导变形现象一致。

这项研究通过系统的多尺度建模，首次阐明了PBF-LB/M制备的IN718合金在650°C下蠕变各向异性的微观机制。研究发现双峰晶粒结构、晶体学织构和GBS三者共同决定了材料的蠕变行为，其中：1) 基体区作为"薄弱环节"提升了整体蠕变速率；2) 细长晶粒形态增强了DD方向的变形能力；3) GBS则是DD方向异常高蠕变速率的主因。这些发现为AM高温合金的工艺优化和性能预测提供了重要理论指导。

研究建立的"从单晶到多晶"的多尺度建模框架，通过逐步引入微观结构特征，明确了各因素对性能的定量贡献，这种研究方法可推广至其他AM合金系统的性能预测。特别是将晶体塑性模型与内聚力模型相结合的技术路线，为研究晶界介导的变形机制提供了新思路。未来工作可进一步耦合热力学模型，从溶质偏聚等角度深入理解GBS的物理本质，为AM高温合金的设计和应用提供更全面的理论支撑。