基于线材的激光定向能量沉积（Laser Directed Energy Deposition, LDED）工艺中，采用逐层原位激光重熔（Layer-by-Layer In-Situ Laser Remelting）技术对Inconel 718材料进行微观结构优化与性能提升

《Materials Chemistry and Physics》：Layer-by-Layer In-Situ Laser Remelting for Microstructure Refinement and Property Enhancement in Wire based Laser Directed Energy Deposition of Inconel 718

激光金属沉积制备Inconel 718时原位重熔可优化熔池形态，减少次生相形成，提升层间结合质量，使晶粒细化并降低长宽比，同时提高硬度、韧性和耐磨性而不损及基体机械性能。

　　

Mithilesh Singh | Sushil Kumar Mishra | Gurminder Singh

印度理工学院孟买分校机械工程系，Powai, Mumbai-400076, Maharashtra, India

摘要

激光金属沉积（LMD）已成为修复航空航天应用中高价值IN718部件的一种有前景的技术。然而，沉积后的材料通常需要后处理才能达到所需的性能和可靠性。传统的高温均匀化处理通常用于减少次生相的形成；然而，这些方法不适合修复应用，因为它们可能会降低基材的机械性能。为了解决这个问题，本研究探讨了原位重熔对通过基于丝材的激光定向能量沉积（LDED）制造的IN718合金逐层微观结构细化的效果。该研究考察了激光重熔功率和速度对珠状轮廓变化以及微观结构演变的影响，包括晶粒生长、晶粒尺寸和次生相形态。重熔后的熔池形态与原始打印样品相比更加平坦，从而形成了更均匀的层状轮廓。经过重熔处理的样品横截面显示出更细小的次生相沉淀物形态，这是由于树枝晶的细化。扫描电子显微镜（SEM）图像的面积分数分析显示次生相沉淀物的比例有所减少。原始打印样品沿构建方向呈现柱状晶粒形态，而重熔样品则表现出更细小的晶粒和更低的长宽比。这些微观结构的变化提高了延展性、硬度和摩擦学性能，同时没有损害整体的机械强度。

引言

Inconel 718（IN718）是一种通过沉淀硬化强化的镍基超级合金，由于其出色的高温强度保持能力和优异的抗氧化性，在最近几十年里受到了广泛关注。由于制造高性能IN718需要复杂的工艺和热处理循环，因此面临诸多挑战[1]。使用增材制造（AM）技术生产超级合金部件可以解决传统制造方法中的许多问题。通过利用金属粉末和丝材等原料的快速熔化和固化，AM简化了IN718的生产过程，而这种过程使用传统方法通常较为困难。AM中的逐层沉积和固化工艺实现了精确制造、缩短生产时间和设计灵活性。常用的生产IN718的AM方法包括激光粉末床熔融（LPBF）和激光定向能量沉积（LDED）[2]。在LPBF中，粉末被铺展在平台上，激光逐层熔化以生成致密部件。然而，LPBF面临许多挑战，如难以打印大型部件、粉末处理问题、修复受损表面以及沉积速率低[3]。相比之下，LDED的多功能性使其能够用于制造功能梯度材料、部件修复以及使用粉末或丝材作为原料的涂层[4],[5]。基于丝材的LDED产生的部件具有更好的材料沉积和更高的密度，因为丝材进料提供了更高的材料利用率。此外，仅使用丝材显著降低了与空气中粉末颗粒相关的健康和安全风险，提供了更安全的替代方案[6],[7]。 在IN718中，奥氏体镍基体中的沉淀物对于提高强度和性能至关重要[8]。这种合金通常具有复杂的微观结构，包含奥氏体面心立方（fcc）γ晶粒基体和次生相。γ′和γ′′沉淀物是关键的强化相，能够提高镍基和镍铁基超级合金的热稳定性[9]。在IN718的AM过程中，经常观察到碳化物和Laves相与γ′和γ′′沉淀物共存。富含铌（Nb）和钛（Ti）的碳化物通常在晶界处形成，并通过晶界钉扎作用抑制晶粒生长[10]。相反，碳化物和Laves相在LPBF和LDED中常见，会对材料性能产生负面影响[11],[12]。这些脆性的富Nb相会消耗Nb基体，从而减少γ′和γ′′强化相的形成。Laves相主要在800至1000°C的缓慢冷却速率下形成，导致机械性能下降[13],[14]。Laves相具有脆性，在机械测试（包括拉伸测试、应力断裂测试和低循环及高循环疲劳评估）中会成为裂纹的起始点[15]。值得注意的是，在LDED制造的IN718中发现了大量Laves相，而在传统锻造的Inconel 718中则没有这些相[16]。这种微观结构的显著差异强调了仔细检查使用激光增材方法修复或制造的部件的机械性能的必要性。Laves相的存在与否是影响最终产品耐用性和整体性能的关键因素[14]。 高温均匀化热处理是最常用的减少Laves相形成的方法。然而，这种方法不适用于修复IN718部件，因为它可能会降低基材（无论是相同还是不同材料）的机械性能。传统的高温均匀化处理已被用于减少增材制造的IN718中的Laves相，但不希望的再结晶和晶粒粗化会导致由于快速冷却和固化而获得的精细微观结构所具有的改进机械性能的丧失[17]。鉴于控制AM部件中Laves相的研究有限，需要采取替代策略。高功率激光处理可以减少Laves相的偏析，但对于涡轮叶片等薄壁部件来说不切实际，因为存在变形风险[18]。因此，开发不损害基材机械性能的创新的Laves相形成缓解策略至关重要。 文献强调了多种无需后处理热处理即可提高机械性能的方法。除了开发优化激光轨迹以最小化AM中的残余应力外，近年来涉及单个或多个激光在熔化特定粉末层后重新扫描的扫描技术也受到了广泛关注。激光重熔是一种在LPBF中广泛研究的扫描方法，已被证明在改善表面质量和减少生产部件缺陷方面起着关键作用。该过程利用了重熔过程中的平滑效果，熔融材料由于表面张力动态的相互作用而从波峰流向低谷[19]。Keller等人[20]研究了在不同激光功率设置下Hastelloy在重熔过程中的微观结构演变。由于在重熔过程中精确控制了热梯度和冷却速率，显著细化了树枝晶结构，从而提高了材料的延展性。这种机械性能的提高进一步与应变硬化率的变化有关。Hu等人[21]研究了重熔技术在减轻Inconel IN939（一种在LPBF中容易开裂的高温镍基合金）内部裂纹方面的有效性。该研究评估了各种重熔参数、策略和重熔周期频率对微观结构和缺陷形成的影响。由于重熔，残余应力最小，导致裂纹减少和细胞状树枝晶结构变小。因此，文献表明，重新扫描技术的应用带来了多种好处，包括降低残余应力水平[22],[23]、减少孔隙率[24]、改善表面光滑度[26]、提高硬度[27]以及改变微观结构特性[28]。 基于LPBF领域之前的研究，其中重熔对基于粉末的原料显示出明显优势，本研究将这一理解扩展到相对较少研究的基于丝材的激光DED工艺。本研究通过在线激光处理来研究通过激光定向能量沉积制造的IN718的微观结构细化。假设重熔可以促进微观结构的均匀化，改善相分布，并修改晶粒结构，从而提高整体材料性能。进行了全面分析，将重熔过程整合到工具路径中，以评估其对熔池形态、微观结构演变、晶体学纹理和次生相形态的影响，包括单珠和多珠沉积情况。还系统评估了机械性能，包括拉伸强度、硬度和摩擦学行为。在观察到的改进中，晶粒形态和硬度方面的效果最为显著。重熔显著降低了柱状晶粒的长宽比，并使硬度显著提高，与原始打印状态相比。

材料

实验中使用了来自Meltio（西班牙）的直径为1毫米的Inconel 718原料丝材。通过能量色散X射线光谱（EDS）定量确定了原料IN718丝材的成分，具体信息见表1。在M450机器上使用了一个小型构建板（115毫米×40毫米×20毫米）进行激光沉积。

直接能量沉积

沉积是在Meltio3D（型号M450，西班牙）的基于丝材的激光金属沉积系统上进行的。

单层沉积

图4（a-d）显示了原始打印样品和经过原位重熔（R(400,4)、R(600,6)和R(600,4)处理的样品的横截面光学图像。所有四个样品的单珠横截面都观察到了凝固特征。在重熔轨迹下方的热影响区（HAZ）边界处还可以追踪到额外的特征。

结论

本研究探讨了沉积过程中原位重熔对IN718的影响。对原始打印样品和原位重熔样品进行了比较分析。研究得出的结论如下： - 重熔提高了珠状物的均匀性和打印部件的表面光滑度。在多珠沉积中，重熔产生了更平坦、更一致的层，熔池高度更高，层间结合也得到了改善。 -

CRediT作者贡献声明

Sushil Kumar Mishra：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源获取、资金筹集。 Mithilesh Singh：撰写 – 初始草稿、验证、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。 Gurminder Singh：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、监督、项目管理、方法论、资金筹集、正式分析。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者衷心感谢印度政府的教育部（MoE）提供的奖学金和财政支持，该支持来自著名的总理研究奖学金（PMRF）计划。作者还感谢混合增材制造（HAM）实验室、微观结构力学与微成形（MMMF）实验室、形状材料（STM）实验室以及印度研究所的透射电子显微镜（TEM）中央设施。