增材制造Inconel 718高温合金的微观结构异质性对切削加工性与表面完整性的调控机制

《Journal of Materials Research and Technology》：Engineering Microstructural Heterogeneity for Enhanced Machinability of Additive Manufactured Inconel 718 superalloys

　　

粉末床熔融（PBF）技术已能够制备高性能镍基高温合金，但工艺诱导的微观结构异质性对其切削加工性的影响仍未被阐明。在此，研究人员展示了增材制造（AM）工艺、微观结构演变、切削加工性与表面完整性之间的关系，研究对象为采用激光选区熔化（SLM）和电子束熔化（EBM）两种PBF技术制备的Inconel 718（IN718）。SLM形成了细化的胞状—枝晶组织，伴随枝晶间Laves相偏析和相对较弱的晶体学织构，并获得高强度与延展性。相反，EBM促进等轴晶形成，具有显著晶体学织构和第二相特征，导致更高硬度（约410 HV）但较低抗拉强度和延展性。透射电子显微镜（TEM）揭示了拉长、多面体状纳米尺度析出相和层片状特征，进一步表明不同纳米尺度析出相形貌和层片状特征，赋予工艺条件对微观结构演变的影响。这些对比鲜明的微观结构导致端面铣削过程中显著不同的响应。值得注意的是，SLM-IN718表现出较低切削力和更好的表面光洁度（R_a = 0.1–0.3 μm），而EBM打印IN718表现出较高切削力和表面粗糙度（R_a = 0.1–0.4 μm），并伴随局部材料拔出和表面撕裂。断口观察进一步揭示SLM试样中形成明显的韧性韧窝，而EBM试样中表现为与枝晶相关的断裂特征。主导力学响应反映强度—硬度权衡：SLM-IN718具有高强度与延展性（UTS ≈ 1010 MPa；YS ≈ 834 MPa）。研究人员的发现提供了多尺度认识，揭示PBF诱导的微观结构异质性与后加工切削加工性之间的直接机制联系，阐明纳米尺度亚结构、相分布和力学响应如何控制增材制造IN718的切削加工性。

研究背景与问题：Inconel 718（IN718）镍基高温合金具有高强度、抗蠕变性和热机械稳定性，可在最高约700 °C高温环境服役，广泛应用于航空发动机、燃气轮机、井下轴、井口部件、核燃料及低温储存容器等。其强度高（25 °C约1200 MPa）、硬度为36–45 HRC、密度约8.19 g/cm³，但在恶劣环境中保持优异性能的同时也长期存在加工困难、表面光洁度差和刀具磨损快等问题；常规加工需专用刀具、先进冷却和较低切削参数。金属增材制造（AM）尤其是粉末床熔融（PBF）可实现近净成形、材料利用率高和设计灵活，但PBF成形件常存在较差表面光洁度和尺寸精度，需后续减材加工；工艺诱导的各向异性、定向凝固和非均质微观结构使IN718切削响应复杂化，导致刀具磨损不可预测并影响加工表面质量。已有研究比较了SLM、EBM和锻造IN718的切削力、刀具磨损和切屑形成，或评估SLM/EBM与锻造材料的表面完整性、刀具寿命及冷却策略，但仍缺乏对从晶粒结构、织构到纳米尺度析出相和缺陷等工艺特定多尺度特征如何控制切削行为和最终表面完整性的认识。针对该空白，研究人员系统比较SLM与EBM，采用真空感应气体雾化（VIGA）IN718粉末（15–80 μm），建立工艺—微观结构—性能—切削加工性关系，以揭示PBF-IN718切削加工性由工艺特定多尺度异质性控制，而非仅由晶粒尺寸或硬度决定，为将AM工艺设计与微观结构导向加工相结合提供依据。

研究开展与结论及意义：研究人员通过多尺度表征、力学测试和端面铣削发现，SLM形成细化胞状—枝晶组织、相对细化晶粒和较弱织构，EBM形成较粗大、带织构并含第二相的微观结构；TEM进一步揭示二者在析出相形貌、界面结构和缺陷配置上的纳米尺度差异。SLM条件达到UTS约1010 MPa、YS约834 MPa并呈明显韧性断裂；EBM条件硬度最高约410 HV，但强度和塑性较低，说明硬度本身不足以指示加工行为。将上述多尺度特征与切削力、表面粗糙度（SLM为R_a = 0.1–0.3 μm，EBM为R_a = 0.1–0.4 μm）、材料拔出和表面撕裂相关联，表明PBF印刻的微观结构异质性在后续加工中持续存在并控制可达表面完整性，为高性能金属部件AM工艺选择与加工策略优化提供依据。

关键技术与方法（不超过250字）：以VIGA雾化IN718粉末（15–80 μm）为原料，分别经SLM和EBM成形；结合X射线衍射（XRD）/Rietveld精修、扫描电子显微镜（SEM）/能谱（EDS）、电子背散射衍射（EBSD）、TEM/选区电子衍射（SAED）进行多尺度表征；开展显微硬度、拉伸及断口分析；在数控机床上进行端面铣削，采集切削力、表面粗糙度和三维表面形貌。

研究结果：3.1 物相分析：XRD显示SLM/EBM试样均以γ-Ni面心立方（FCC）基体为主，对应（111）、（200）等衍射特征，未检测到明显δ-Ni₃Nb或Laves相，可能与体积分数低及峰重叠有关；二者均显示γ（200）反射强度，表明沿建造方向形成<100>择优晶体学取向。Rietveld精修确认γ相主导，SLM晶格畸变和晶体学拟合较好；激光快速凝固促进高饱和γ基体，而EBM较高建造温度提供热暴露，促进γ^′/γ^″等热力学稳定第二相形成。3.2 微观结构演变：SLM侧表面呈鱼鳞状熔池边界和定向胞状—枝晶组织，枝晶间存在Laves相和针状δ相，Nb、Mo倾向偏析至枝晶间；EBM显示粗大胞状区、熔池边界、孔隙和局部未熔合缺陷，底部粗大枝晶区伴第二相和滑移线，Nb在枝晶间和第二相区偏析更明显，较长热暴露促进扩散和相粗化。3.3 EBSD表征：SLM由拉长柱状晶与较细等轴晶区组成，平均晶粒尺寸约9.7 μm，局部取向差在晶界/亚晶界附近升高；EBM以等轴晶为主，{001}/<001>织构更强（强度约22.0），平均晶粒尺寸约9.0 μm。二者平均晶粒尺寸相近，差异主要来自晶粒形貌和晶体学织构，EBSD晶粒尺寸需与更细的胞状/枝晶间距区分。3.4 TEM分析：SLM显示拉长、多面体状纳米析出相及密集位错/平面缺陷，SAED沿[?100]晶带轴显示清晰衍射斑；EBM显示拉长界面、局部有序区和密集缺陷，沿[?100]和[100]晶带轴显示取向相关差异；δ-Ni₃Nb和Laves相识别仍需相特异衍射标定和成分验证。3.5 力学与断口分析：SLM显微硬度为278±5 HV，EBM为411±2 HV；SLM-IN718的UTS和YS分别为1010 MPa和743 MPa，EBM-IN718分别为834 MPa和604 MPa；SLM延展性更优，断裂伸长率分别为27%和8%，塑性伸长率分别为13.21%和8.87%。SLM断口以细密韧性韧窝、微孔和晶内断裂为主；EBM断口较平滑但韧窝小，伴凹坑、沟槽、未熔颗粒/孔隙及解理面，孔隙作为裂纹萌生优先位置降低塑性。3.6 IN718异质结构机制：SLM与EBM力学和加工响应差异源于打印相关热循环、微观结构特征和缺陷分布的综合作用；胞状/枝晶形貌、晶体学织构、局部偏析及未熔合/孔隙促进应力局域化和损伤萌生；这些因素在对比实验中不能独立分离。4 切削加工性分析：4.1 表面粗糙度：平行进给方向，R_a随切削速度升高而降低、随进给率升高而增大；EBM-IN718总体R_a较高，最大0.323 μm，SLM最低0.1 μm（400 m/min、0.025 mm/z）；SLM的R_a范围为0.118–0.312 μm，EBM为0.119–0.323 μm，EBM总体约高20%。垂直进给方向，SLM的R_a普遍低于EBM，SLM最低0.14 μm，EBM最高0.40 μm；高转速下表面趋平滑，但局部峰值粗糙度与积屑瘤、材料犁耕和局部刀具滑移有关。三维形貌显示加工面存在进给痕迹和微裂纹，并与打印遗留孔隙/未熔颗粒相关；原文给出的三维形貌R_a分别为1.86 μm（SLM）和2.33 μm（EBM），同时总体指出SLM表面粗糙度优于EBM。4.2 切削力：进给力F_x从低进给/低速度约60 N增至高速度/高进给约146 N，随切削速度升高与渐进刀具磨损有关；径向力F_y随进给率和切削速度增加；轴向力F_z在SLM-IN718、V_c=400 m/min时达304 N。EBM-IN718总体切削力高于SLM，与其较粗大且带织构的晶粒、第二相、较高显微硬度（约410 HV）和较多凝固缺陷相关，这些特征增加剪切区与刀具—切屑界面的塑性变形抗力，并促进EBM表面局部材料拔出和撕裂；由于SLM/EBM固有地组合产生这些特征，单一因素贡献未能独立分离，力差异应归因于综合效应。

讨论总结：原文讨论认为，SLM与EBM打印IN718的力学和加工响应差异由打印相关加热循环、微观结构特征和缺陷分布的综合效应造成；凝固控制差异影响胞状/枝晶形貌、晶体学织构和局部偏析，而未熔合与孔隙可促进应力局域化和损伤萌生。硬度、拉伸性能和切削加工性变化反映交互作用的工艺诱导因素，而非单一微观结构异质性；其个体贡献不能由对比实验独立获得。EBM较高切削力与较粗大织构晶粒、第二相、较高硬度和较多凝固缺陷相关，增加剪切区及刀具—切屑界面变形抗力并促进局部拔出和撕裂；SLM细化组织则获得较低切削力和更优表面光洁度。

研究结论（翻译）：本研究建立了SLM和EBM成形IN718的工艺—微观结构—切削加工性关系。主要结论如下：PBF加工诱导了不同的分级微观结构；XRD和Rietveld精修确认主导γ-Ni FCC基体及显著<100>织构，EBSD和TEM揭示晶粒形貌、晶体学特征、析出相特征和缺陷结构差异。SLM打印试样呈细化胞状—枝晶形貌并含异质柱状晶，而EBM打印试样以等轴晶为主，具有显著晶体学织构和局部第二相特征，尽管二者平均晶体学晶粒尺寸相当。SLM打印试样具有较高抗拉强度（UTS ≈1010 MPa；YS ≈834 MPa）和延展性，而EBM打印试样显示最高硬度（约410 HV）但拉伸性能降低；这些差异可能源于晶体学织构、微观结构异质性和缺陷分布变化。AM诱导的微观结构特征控制加工性能和表面完整性；异质且较高硬度结构导致较高切削力、表面粗糙度增加（R_a = 0.1–0.4 μm）和局部材料拔出，而细化结构产生更光滑表面（R_a = 0.1–0.3 μm）。本工作表明PBF 3D打印在后续制造性能的微观结构控制参数中起关键作用；所建立的加工、微观结构、力学响应与切削加工性之间的机制关系，为优化高性能IN718部件的AM选择和加工策略提供了新认识。