《Welding in the World》：Manufacturing and evaluation of Fe64Ni36 components via in situ alloying with elemental powders using DED-Arc
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为解决传统粉末基增材制造中元素偏析、微观组织不均的问题，研究人员采用等离子电弧定向能量沉积（DED-Arc）技术，探索了以元素铁粉和镍粉为原料原位合金化制备Fe64Ni36（Invar 36）的可行性。结果表明，通过优化工艺参数（如降低热输入、调整粉末送入策略），可消除未熔铁颗粒，获得成分均匀、具有典型低热膨胀系数（CTE，室温至200°C约1.7×10?6K?1）及良好力学性能（抗拉强度约386 MPa）的构件，证实了该技术为按需、低成本开发合金提供了灵活新途径。
在材料制造领域，能够“按需定制”合金成分一直是科研人员与工程师的梦想。传统的合金制备通常需要预先熔炼好特定成分的母合金，再制成粉末或丝材用于增材制造。这种方法虽然成熟，但灵活性不足，难以快速适配新成分或进行梯度材料设计。于是，“原位合金化”技术应运而生——它允许在制造过程中，直接将不同元素的粉末混合并熔化，实时“合成”出目标合金。这听起来很美好，但实践之路却布满挑战，尤其是在基于激光或电子束的精密增材制造过程中。这些工艺熔池小、冷却快，极易导致元素混合不均，出现偏析，最终影响材料的性能。
其中，因瓦36（Invar 36，即Fe64Ni36）合金因其在室温至约200°C范围内极低的热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion, CTE）而闻名，广泛应用于精密仪器、航空航天等领域。能否通过原位合金化技术可靠地制备出性能堪与传统工艺媲美的因瓦36构件，是一个兼具科学价值与工程意义的课题。近期，一篇发表在焊接领域知名期刊《Welding in the World》上的研究，为我们带来了肯定的答案。该研究没有使用预合金化的因瓦36粉末，而是另辟蹊径，直接采用纯铁粉和纯镍粉作为原料，利用一种名为“粉末基等离子电弧定向能量沉积”（Powder-based Directed Energy Deposition with plasma arc, DED-Arc）的技术，成功实现了Fe64Ni36合金的原位合成与构件制造。
为了验证这一创新方法的可行性，研究团队设计并对比了两套工艺方案（文中称为Setup 1和Setup 2）。他们采用了粉末基DED-Arc系统，该系统核心包括一台最大电流400A的等离子电源、一个配备四通道同轴送粉器的水冷焊枪，以及两台分别装载铁粉和镍粉的轮式送粉器。研究首先制备了矩形和单墙两种几何形状的增材构件。随后，综合运用了金相显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）进行微观组织观察，利用能量色散X射线光谱（EDX）进行面扫和点扫以分析元素分布均匀性。为了评估功能特性，研究者从构件中取样，使用淬火膨胀仪测量了从室温至500°C的热膨胀行为，并计算了CTE。力学性能方面，则通过维氏硬度测试（HV1和HV0.1）和沿构建方向（垂直方向）的拉伸试验（依据DIN 50125标准制备试样）进行了全面表征。
研究结果
3.1 样品概览
研究成功制造了两种结构的样品：Setup 1产生了层高约1.64 mm、层宽约7.1 mm的矩形空心结构；Setup 2则产生了层高约0.9 mm、层宽约5.3 mm的单墙结构。后者因热输入和送粉量降低，熔池更小，凝固更快，表面更光滑平整。
3.2 微观结构
两个方案制造的构件均呈现完全奥氏体组织，并具有沿构建方向生长的粗大柱状晶结构，这是电弧基增材制造工艺高热量输入和长凝固区间的典型特征。Setup 1的晶粒取向更多垂直于熔合线呈扇形排列，而Setup 2的柱状晶更垂直、更粗大，贯穿多个层间区域。在Setup 1的每个层间区域都观察到了圆形的未熔颗粒，而Setup 2中则未发现明显的大颗粒。
3.3 元素分析
EDX分析证实，两个方案在宏观上都实现了接近目标成分的均匀合金化，平均成分约为63.5 wt.% Fe和36.5 wt.% Ni。然而，Setup 1的层间区域存在直径约60 μm的未熔铁颗粒（纯度达99.6 wt.% Fe），其周围基质镍含量局部升高。Setup 2通过优化工艺（特别是将铁粉单独送至电弧前方），几乎完全消除了这些大颗粒，仅剩极少数微小（约3 μm）铁质颗粒，元素分布均匀性得到显著提升。
3.4 关于颗粒夹杂的讨论
研究深入分析了Setup 1中出现未熔铁颗粒的原因。这并非单纯由于铁熔点更高或密度更低。研究者通过一系列工艺调整（如脉冲电弧、更高热输入、筛分粉末、改变工艺气体等）均未能消除颗粒。最终成功的关键在于改变了送粉策略：将铁粉和镍粉分开输送，并将铁粉精确送至移动电弧的前方。这表明，对于高熔点元素，确保其粉末直接进入高温电弧区并获得充足的熔化和混合时间，是避免颗粒残留的核心。
3.5 热膨胀系数
热膨胀测试表明，两个方案制备的材料都成功再现了因瓦合金的标志性低膨胀特性。在约200°C以下，CTE基本稳定在约1.7 × 10?6K?1的低值。在约270–280°C（因瓦合金的居里温度附近），CTE开始显著上升，并在500°C时达到约8–9 × 10?6K?1，与文献数据和预合金化因瓦材料的行为一致。重要的是，尽管Setup 1存在未熔铁颗粒，但其CTE与Setup 2几乎没有差异，说明这些颗粒对因瓦效应（低热膨胀）这一功能特性影响不大。
3.6 硬度
硬度测试显示，Setup 1的平均硬度为142.6 HV1，但在包含未熔铁颗粒的层间区域，局部硬度可降至约100 HV0.1。硬度分布图清晰揭示了颗粒导致的硬度低谷。Setup 2的平均硬度略高（147.1 HV1），且分布更为均匀，没有因大颗粒引起的剧烈波动，但在垂直晶界处存在因铁含量轻微偏高导致的硬度略低区域。
3.7 拉伸强度
拉伸性能的结果最为直观地反映了工艺优化的成效。Setup 1的试样由于层间未熔铁颗粒作为缺陷存在，表现出脆性断裂特征，平均抗拉强度仅为280 MPa，断裂伸长率低至2%。断裂面可见颗粒残留。相反，Setup 2的试样性能大幅提升，平均抗拉强度达到386.3 MPa，屈服强度为265.1 MPa，并展现出明显的韧性断裂和颈缩现象，其性能已接近采用预合金化材料增材制造的因瓦合金报道值。
结论与意义
本研究成功证实了使用元素粉末通过DED-Arc工艺原位合金化制备Fe64Ni36（因瓦36）的可行性。研究的关键结论在于，工艺参数，特别是粉末送入策略，对合金的均匀性和最终性能起着决定性作用。当铁粉和镍粉预混合后送入（Setup 1）时，部分高熔点铁粉未能充分熔化，以颗粒形式残留于层间，严重损害了材料的力学性能（尤其是垂直方向的拉伸性能），尽管其低热膨胀特性得以保留。而通过优化工艺（Setup 2），特别是将铁粉单独送入电弧前方，确保其充分熔化和混合，可以完全消除这些有害颗粒，从而获得成分高度均匀、兼具良好力学性能（抗拉强度386 MPa，具有韧性）和典型低热膨胀系数（1.7 × 10?6K?1，≤200°C）的构件。
这项研究的意义重大。首先，它突破了传统预合金化粉末的局限，为“按需”合金开发和梯度材料制造提供了一条高度灵活且经济高效的路径。研究人员无需为每一种目标合金预先制备专用粉末，只需储备基础元素粉末，即可通过工艺参数调整“现场合成”。其次，研究明确了DED-Arc工艺由于其大熔池、长凝固时间和强对流混合特性，在克服激光/电子束工艺中常见的元素偏析问题方面具有独特优势。最后，研究提出的“高熔点元素粉末应送至电弧前方”的指导原则，为未来利用该技术原位合成更复杂多元合金（如高熵合金）奠定了重要的工艺基础。这项工作不仅展示了DED-Arc原位合金化技术的巨大潜力，也为推动增材制造向更灵活、更智能的“材料基因组”式生产迈进提供了有力的实验依据。
