采用激光线定向能量沉积技术制备的低粗糙度Invar 36合金：加工窗口、微观结构及性能表征

《Materials Science and Engineering: A》：Low-roughness Invar 36 alloy fabricated by laser wire directed energy deposition: processing window, microstructure and property characterization

本研究采用激光焊接定向能量沉积（LW-DED）技术制造Invar 36合金部件，系统研究激光功率对成型质量、微观结构、力学性能及热膨胀系数的影响，建立350-470W稳定工艺窗口，实现低孔隙率（0）、表面粗糙度Ra≤4.64μm及优异热膨胀系数（20-200℃最低2.35×10^-6 °C^-1）。

　　

马凯月|郭文华|王玉忠|张亚茹|季千宇|张家成|王磊|卢炳恒

西安交通大学机械工程学院，中国西安710049

摘要

由于具有极低的热膨胀系数（CTE），Invar 36合金被广泛应用于航空航天和精密仪器领域。为了解决Invar 36增材制造中常见的孔隙率和表面质量问题，本研究采用了激光丝材定向能量沉积（LW-DED）技术进行零件制造。系统地研究了不同激光功率水平对成型质量、微观结构、机械性能和热膨胀行为的影响，并确定了稳定的加工窗口。结果表明，在350-470 W的激光功率范围内，可以稳定制造出无孔隙率的致密Invar 36零件，表面粗糙度（Ra）低至4.64 μm。随着激光功率的增加，侧壁的阶梯效应显著减小；然而，过高的热量输入会导致几何稳定性的轻微下降。微观结构主要由沿构建方向外延生长的奥氏体柱状晶粒组成。随着激光功率的提高，晶粒粗化，同时几何必要位错（GND）密度略有降低。在不同功率设置下，抗拉强度和屈服强度保持稳定，伸长率可达57%。在20-200 °C的温度范围内，CTE随激光功率的降低而减小，在350 W时达到最小值2.35 × 10^-6 °C^-6。此外，研究了通过调节热量输入来改善表面质量的机制，以及微观结构演变与机械性能和CTE之间的内在关联。本研究表明，LW-DED技术在制造高密度、高质量Invar 36零件方面具有巨大潜力，为参数优化和性能调整提供了实用的工艺指导。

引言

Invar 36（Fe-36Ni）合金自1896年Guillaume发现以来，因其极低的热膨胀系数（CTE）（在居里温度以下约为230 °C）[1]以及在低温下的优异机械性能[2]、[3]而广受认可。这些独特特性使其成为需要高尺寸稳定性的零件的首选材料，包括航空航天[4]、卫星[5]、精密仪器[6]、光学测量设备[7]以及燃料储存和运输基础设施[8]等领域。目前，Invar 36零件主要采用传统机械加工方法制造。然而，由于其低导热性、高延展性和明显的加工硬化行为[9]，该合金在切割过程中容易产生严重的工具磨损，导致加工效率降低和制造成本增加[10]、[11]。制造几何形状复杂的零件尤其具有挑战性。在这种情况下，增材制造（AM）技术凭借其优异的设计灵活性、高材料利用率和缩短的生产周期[12]、[13]，为克服传统加工方法的局限性提供了有希望的解决方案[14]。

目前，关于Invar 36金属增材制造的研究主要集中在激光粉末床熔融（LPBF）技术上。Qiu等人[15]首次研究了微观结构和孔隙率对LPBF制造Invar 36机械性能的影响，发现微观结构主要由柱状γ相晶粒组成，含有少量α相。他们还指出，过高的扫描速度会导致孔隙率显著增加，从而降低零件的延展性。Wei等人[16]和Zhang等人[17]进一步证明，LPBF过程中的高孔隙率会导致应力集中，加速裂纹萌生，导致抗拉强度和疲劳寿命大幅下降。同时，多项研究探讨了影响Invar 36热膨胀系数的关键因素。Harrison等人[18]证实，残余应力释放显著提高了LPBF制造Invar 36的CTE。Yang等人[19]研究了孔隙率和材料成分对Invar 36热膨胀行为的影响，发现低能量密度下形成的内部孔隙会降低CTE，而高能量密度下的Ni蒸发也会影响CTE。通过优化工艺参数，他们将孔隙率控制在0.2%-0.4%的范围内，制造出的Invar零件CTE比锻造件低1.72-1.96 × 10-6 °C-1。在此基础上，Huang等人[20]更系统地研究了工艺参数与LPBF制备Invar 36性能之间的关系，发现机械性能和CTE随体积能量密度（VED）显著变化。在VED为89.29 J/mm³时，获得了与传统制造方法相当的性能。此外，他们观察到孔隙率对热膨胀系数的影响随温度升高而减弱。

与基于粉末的增材制造工艺相比，丝材定向能量沉积（DED），特别是丝材电弧增材制造（WAAM），具有更高的材料利用率[21]、更高的成型效率[22]和更适合大规模零件的特点[23]。近年来，多项研究探索了这种方法在Invar合金制造中的应用。Veiga等人[24]和Aldalur等人[4]比较了两种主流WAAM技术（气体金属弧焊（GMAW）和等离子弧焊（PAW）制造的Invar 36薄壁结构的微观结构和机械性能。他们发现，PAW产生的柱状晶粒更大，各向异性更明显，主要是由于其更高的热量输入。经过参数优化后，两种方法的强度水平接近锻造材料，GMAW获得的CTE与传统加工方法相当。然而，在两种情况下表面质量都存在显著波动，需要较大的机械加工余量。Jiao等人[25]利用实时电信号监测和层间温度控制，成功制造出了含1.3% Nb和0.11% Ti的CMT基WAAM Invar合金薄壁零件，孔隙率低至0.078%。他们将性能提升主要归因于层间细晶带的增加以及微米级长链状（Nb, Ti）C沉淀结构的细化和减少。Sood等人[26]研究了基于冷丝气体钨弧焊（GTAW）的Invar 36 WAAM制造，发现适当控制润湿角可以有效减轻层间熔合缺陷。然而，由于Invar 36对延展性下降裂纹的敏感性较高，在高热量输入条件下容易发生晶界裂纹，导致延展性显著下降。总体而言，目前关于Invar 36增材制造的研究主要集中在LPBF和WAAM工艺上。通过适当的工艺参数控制，可以获得与传统制造方法相当的性能，同时保持较低的CTE[24]、[25]。然而，沉积过程中形成孔隙和裂纹等缺陷仍然是影响零件服役可靠性的关键挑战[15]、[26]。此外，关于增材制造Invar零件表面形态和近净成形能力的研究相对较少[24]。实现良好的表面特性有望减少后处理需求，简化装配程序[27]，同时提高耐腐蚀性和耐磨性[28]、[29]，从而延长零件使用寿命并提高材料利用率[30]。

为应对上述挑战，本研究提出了使用激光丝材定向能量沉积（LW-DED）制造Invar 36零件的方法。与更适合制造小型、高精度和几何形状复杂零件的LPBF相比，LW-DED更适合制造大尺寸的Invar 36零件。通过结合丝材送入的高材料利用率和激光加工的小熔池特性，该工艺有利于精确控制能量输入和提高成型质量。本研究系统地研究了不同激光功率对LW-DED制造的Invar 36合金的成型质量、微观结构演变、机械性能和热膨胀行为的影响，旨在确定LW-DED加工Invar 36的稳定窗口，为高质量、低CTE工程零件的制造提供实用的工艺指导。

实验材料

本研究中使用的沉积原料为直径为0.8 mm的Invar 36丝材。基底为316L不锈钢板，尺寸为100 × 100 × 10 mm。Invar 36丝材的化学成分见表1。

实验设备和工艺设计

本研究建立了一个专门用于Invar丝材沉积的激光丝材增材制造平台，如图1所示。该平台包括一个光纤激光系统（RFL-C500AM，Raycus，武汉，中国）

单道熔痕的形态和截面几何特性

图4(a)展示了在230至500 W激光功率范围内制造的单道熔痕的宏观外观和截面几何特征。截面图像中的橙色区域代表熔深（D）。随着激光功率的增加，宏观形态和几何特征从不完全熔合逐渐发展为稳定形成。

表面质量和成型稳定性分析

如图5和6所示，随着激光功率的增加，薄壁宽度单调增加，沿BD方向的表面粗糙度逐渐减小；然而，在S2时几何稳定性最佳。这种行为可以归因于多层沉积过程中沿侧壁的润湿和熔融金属流动动力学。

在激光丝材送入过程中，熔池表面的温度分布不均匀，导致表面张力

结论

本研究采用LW-DED工艺制造了Invar 36合金的薄壁零件，建立了稳定且可重复的加工窗口。系统地研究了激光功率对成型质量、微观结构、机械性能和热膨胀系数的影响。主要结论如下：

1.

在350-470 W的激光功率范围内确定了稳定的加工窗口，并选择了三个代表性的功率水平（350 W、410 W和

作者贡献声明

张家成：正式分析。王磊：资金获取。季千宇：正式分析。马凯月：写作 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，研究，数据管理。郭文华：监督，资源获取，概念构思。王玉忠：写作 – 审稿与编辑，方法学，正式分析。张亚茹：写作 – 审稿与编辑，可视化，软件。卢炳恒：监督，资金获取，概念构思

未引用参考文献

[66]。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

本研究的数据可应相应作者的要求提供

资助

本研究得到了[中国教育部基础与交叉学科突破计划][JYB2025XDXM210]、[中华人民共和国科学技术部][2021YFB1715600]以及[陕西省科学技术厅][2023-YBGY-363]的资助。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。