《Journal of Materials Research and Technology》：Microstructural evolution and mechanical properties of PBF-LB/M Inconel 718 lattice structures subjected to different heat treatments
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摘要：通过比较两种热处理工艺，研究了后处理热处理对增材制造Inconel 718点阵结构力学性能和微观组织演变的影响。研究人员将一种标准热处理（即980 °C固溶退火，随后在720 °C和620 °C进行双时效）与一种优化热处理（基于1150 °C高温均匀化，
摘要：通过比较两种热处理工艺，研究了后处理热处理对增材制造Inconel 718点阵结构力学性能和微观组织演变的影响。研究人员将一种标准热处理（即980 °C固溶退火，随后在720 °C和620 °C进行双时效）与一种优化热处理（基于1150 °C高温均匀化，随后采用相同的时效序列）进行了对比。采用激光粉末床熔融技术制备了基于类金刚石（点阵A）、体对角线（点阵B）和菱形十二面体（点阵C）单胞的块体试样和点阵结构，并通过扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）、同步辐射X射线衍射（synchrotron XRD）、透射电子显微镜（TEM）和高温差示扫描量热法（HT-DSC）进行了表征，同时通过维氏硬度和压缩测试评估了力学响应。标准热处理未能使沉积态微观组织再结晶，并在晶界处残留δ相和富Nb区域，导致脆性支柱断裂和点阵灾难性坍塌。相比之下，优化热处理产生了完全再结晶、无δ相的微观组织，这降低了屈服强度（例如，对于点阵B，从250 MPa降至200 MPa），但提高了变形能力并将失效限制在孤立支柱。研究人员在Maxwell和Gibson-Ashby模型框架内解读了点阵结构的力学响应，揭示了其弯曲主导行为不受热处理影响。这些结果表明，在点阵结构中，热处理不会改变由拓扑结构决定的弯曲主导变形模式，但由于不同的相组成和微观组织，它会影响失效模式。
一、研究背景与科学问题
激光粉末床熔融（PBF-LB/M）作为一种先进的增材制造（AM）技术，能够制造传统减材加工无法实现的复杂几何形状部件，尤其在航空航天、汽车和生物医学领域对轻量化、高承载点阵结构的需求日益增长。Inconel 718（IN718）镍基高温合金因其优异的高温强度和耐腐蚀性，成为制造在严苛环境下服役的点阵结构的理想材料。然而，PBF-LB/M工艺固有的快速凝固特性会导致IN718形成各向异性的柱状晶微观组织以及Nb元素偏析，进而形成有害的Laves相和δ相，严重影响材料的力学性能。后处理热处理是调控IN718微观组织和力学性能的关键手段，但工业上针对锻件和铸件的标准热处理工艺（如AMS 5662和AMS 5383）并不完全适用于PBF-LB/M制造的构件。已有研究表明，更高的均匀化温度（>1100 °C）能更有效地溶解有害相并促进成分均匀化。然而，这些研究多集中于块体材料，对于具有薄壁支柱特征的点阵结构，其失效机制受晶界析出相影响更为显著，因此，热处理对点阵结构微观组织演变与力学性能之间关系的影响尚不明确。本研究旨在系统探究不同热处理路径如何通过改变相组成和微观组织，进而影响不同拓扑结构IN718点阵结构的压缩响应、失效模式和Gibson-Ashby缩放系数。
二、研究内容与主要结论
研究人员采用PBF-LB/M技术制备了三种不同单胞拓扑结构的点阵（类金刚石点阵A、体对角线点阵B、菱形十二面体点阵C）以及相应的块体试样。通过对比两种热处理工艺——标准热处理（Std-HT：980 °C固溶退火+720 °C/620 °C双时效）和优化热处理（Opt-HT：1150 °C均匀化退火+相同双时效）——系统研究了其对微观组织演变和力学性能的影响。主要结论如下：优化热处理能实现完全再结晶和无δ相的等轴晶微观组织，而标准热处理则保留了沉积态的柱状晶组织并在晶界处残留δ相和富Nb区域。这种微观组织差异导致点阵结构的力学行为发生转变：标准热处理后的点阵表现出更高的屈服强度，但伴随脆性支柱断裂和灾难性坍塌；优化热处理后的点阵虽屈服强度有所降低，但变形能力显著提高，失效局限于孤立支柱，呈现出损伤容限特性。无论何种热处理，所有点阵结构均表现为弯曲主导的变形模式，表明热处理并未改变由拓扑结构决定的变形机制，而是通过改变相组成和微观组织影响了失效模式。该研究为通过优化热处理工艺来平衡增材制造IN718点阵结构的强度与韧性提供了重要指导。
三、关键技术方法
研究人员使用了以下关键技术方法：
- 1.
材料制备：采用商业气雾化IN718粉末，通过Prima Additive公司的Print Genius 250 PBF-LB/M系统进行试样制备。
- 2.
微观组织表征：综合运用扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）、同步辐射X射线衍射（synchrotron XRD）和透射电子显微镜（TEM）对试样的相组成、晶粒形貌、晶体取向和析出相特征进行分析。
- 3.
热分析：采用高温差示扫描量热法（HT-DSC）研究相变行为和析出动力学。
- 4.
力学性能测试：通过维氏硬度测试和准静态压缩试验分别评估块体和点阵结构的力学性能。
四、研究结果
3.1 沉积态
通过SEM和EBSD表征发现，沉积态微观组织呈现典型的沿增材制造构建方向（BD）生长的柱状晶，平均晶粒长径比约为4.0，块体和点阵结构无明显织构差异。更高倍率的SEM和TEM观察显示，存在亚微米级的枝晶胞状结构，且在胞间区域分布着C14 Laves相和NbC碳化物。
3.2 固溶退火（SA-980）与均匀化退火（HA-1150）样品的微观组织演变
SA-980处理后，熔池痕迹仍可见，晶粒呈轻微拉长状（长径比约3.40），晶界处出现δ相和碳化物。HA-1150处理则实现了完全再结晶，形成粗大、等轴的各向同性晶粒（长径比约2.21），δ相消失，仅剩少量粗大的球状NbC颗粒均匀分布在γ基体中。同步辐射XRD和HT-DSC结果证实了上述相组成的差异。
3.3 时效处理后的微观组织与相演变
经过双时效处理后，Std-HT样品中仍保留δ相，并析出了细小的γ′和γ″强化相。Opt-HT样品则呈现无δ相的微观组织，仅有NbC和弥散的γ′/γ″强化相。EBSD进一步确认Std-HT保留了柱状晶形态，而Opt-HT为等轴晶。TEM选区电子衍射（SAED）和能谱（EDX）分析明确鉴别了γ、γ′、γ″及δ相的存在与否。
3.4 力学性能
维氏硬度测试表明，Std-HT和Opt-HT样品的硬度值相近（约480-495 HV），远高于沉积态和单一退火态。压缩试验结果显示，对于点阵A和B，Opt-HT处理相比Std-HT处理降低了屈服强度（如点阵B从253 MPa降至199 MPa），但增加了最大应变（如点阵A从41%增至50%）。更重要的是，Std-HT处理的点阵应力-应变曲线出现剧烈应力降，对应灾难性坍塌；而Opt-HT处理的点阵应力降事件更少、幅度更小，表明失效仅发生在孤立支柱。断口分析揭示，Std-HT样品呈现混合型（脆性+韧性）断裂特征，晶界处存在δ相；Opt-HT样品则为典型的韧窝状韧性断裂。
五、讨论与结论
讨论部分指出，980 °C固溶退火不足以消除PBF-LB/M工艺产生的非平衡微观组织，而1150 °C均匀化退火能有效溶解δ相和Laves相，促进Nb均匀化和完全再结晶。硬度变化趋势与γ基体晶格参数的演变一致，反映了固溶强化和析出强化的竞争关系。通过Maxwell准则和Gibson-Ashby模型分析，所有点阵均为弯曲主导变形模式，热处理未改变此模式，但通过调控δ相的有无，决定了点阵结构的失效模式（脆性集体坍塌 vs. 韧性孤立失效）。
研究结论翻译：这些结果表明，在点阵结构中，热处理不会改变由拓扑结构决定的弯曲主导变形模式，但由于不同的相组成和微观组织，它会影响失效模式。
