《Materials Science and Engineering: A》：Fatigue crack growth behavior and microstructural mechanisms at room and elevated temperatures in Inconel 718 manufactured by laser engineered net shaping
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安东尼·G·斯潘根伯格（Anthony G. Spangenberger）|翟宇伟（Yuwei Zhai）|埃里克·J·布朗（Eric J. Brown）|格雷戈里·N·维吉兰特（Gregory N. Vigilante）|戴安娜·A·拉多斯（Diana A. Lados）伍斯特
安东尼·G·斯潘根伯格（Anthony G. Spangenberger）|翟宇伟（Yuwei Zhai）|埃里克·J·布朗（Eric J. Brown）|格雷戈里·N·维吉兰特（Gregory N. Vigilante）|戴安娜·A·拉多斯（Diana A. Lados）
伍斯特理工学院（Worcester Polytechnic Institute），综合材料设计中心（Integrative Materials Design Center），地址：100 Institute Road，伍斯特，马萨诸塞州01609，美国
摘要
激光工程净成形技术（LENS?）是一种定向能量沉积增材制造方法，只要充分了解其疲劳性能，就有可能用于制造安全关键部件。本文系统研究了在室温和高温（650°C）下使用LENS技术制造的Inconel 718合金的疲劳裂纹扩展行为。确定了几种LENS后热处理对微观结构和疲劳裂纹扩展机制的影响，并进行了比较。研究发现，当存在Laves相时，该相会在基体-颗粒界面处形成微孔，从而控制裂纹扩展机制并降低裂纹扩展抗力。通过热等静压和时效热处理消除Laves相后，材料的疲劳性能得到改善，裂纹扩展阈值提高了200%，其断裂韧性（ΔKFT = 105.6 MPa√m）与锻造材料相当。这种无Laves相材料的优异性能在高温下仍能保持，裂纹扩展速率仅略有增加。这些结果有助于全面理解这种合金的工艺-微观结构-疲劳裂纹扩展性能之间的关系，为使用增材制造技术设计此类关键部件提供了重要依据。
引言
Inconel 718是一种沉淀硬化型镍基超级合金，因其高强度、优异的高温抗氧化性能和良好的焊接性而在航空航天、发电和核工业中得到广泛应用[1]。尽管疲劳和疲劳裂纹扩展（FCG）数据对于安全关键部件的鉴定至关重要，但关于增材制造（AM）Inconel 718的微观结构和静态力学性能已有大量研究[2]，[3]，[4]，[5]，[6]，[7]，[8]，[9]，然而相关数据仍然相对有限[10]，[11]，[12]，[13]，[14]，[15]，[16]，[17]，[18]，[19]。最近对AM Inconel 718的综述也指出，疲劳研究主要集中在裂纹起始和寿命方面，而在高温下的长裂纹扩展和损伤容忍性方面研究较少[20]。
在各种增材制造方法中，激光粉末床熔融（LPBF，也称为选择性激光熔化或SLM）在Inconel 718的疲劳研究领域受到了最多关注。研究表明，LPBF制造的样品通常具有细小的胞状/柱状微观结构、强化的纹理以及由偏析引起的次级相，这些因素常常导致机械性能较差。例如，Kone?ná等人[12]，[13]发现LPBF制造的Inconel 718的裂纹扩展阈值明显低于传统加工材料（3 MPa√m vs 8-12 MPa√m），并将这种差异归因于化学成分、残余应力和晶粒结构的差异。因此，通常需要后处理来减少孔隙率、重新分布偏析的铌元素、溶解有害的富Laves相，并促进形成增强疲劳抗力的γ’/γ’’沉淀[20]，[21]。与此一致的是，LPBF研究显示，适当的后处理可以改善材料的整体机械性能，包括疲劳性能，使其达到与传统制造材料相当的水平[20]。
然而，通过定向能量沉积（DED）工艺（如激光工程净成形LENS?）制造的Inconel 718的行为不能简单地套用LPBF的研究结果。虽然两者都是基于激光的增材制造工艺，但它们的工艺规模有很大差异。与LPBF相比，DED通常使用更大的熔池、更高的沉积速率和更低的冷却速率。这使得DED技术更适合制造大型部件、进行修复和混合制造，而LPBF则更适合制造几何精度要求较高的小型部件[21]，[22]。这些工艺规模的差异导致固化和微观结构的不同：DED沉积的样品通常具有更粗糙的树枝晶结构、更大的晶粒、更弱的或空间分布更不均匀的纹理，以及与LPBF材料不同的缺陷和偏析现象[21]，[22]。因此，受各向异性、裂纹路径曲折度、闭合程度和枝晶间相影响的微观结构敏感的疲劳行为不能直接从LPBF转移到DED。
尽管如此，现有的关于DED制造的Inconel 718的疲劳研究仍提供了重要的机制背景。Johnson等人[14]，[15]报告称，LENS制造的Inconel 718在退火和时效处理后的疲劳寿命略低于锻造材料。这种差异归因于表面夹杂物或孔隙引起的裂纹起始，以及LENS材料中保留的枝晶间Laves相。Nezhadfar等人[16]也在室温和650°C下研究了DED制造的Inconel 718，他们认为微观结构敏感的裂纹扩展行为在疲劳响应中起重要作用，而不仅仅是表面缺陷[16]。他们还指出，AM材料中的δ相和Laves相具有脆性，会加速低循环疲劳下的裂纹扩展。最近的综述也强调，与关于微观结构、硬度、拉伸性能和蠕变的大量研究相比，DED制造的Inconel 718的疲劳裂纹扩展研究仍然较少[20]，[22]。这些研究表明，构建方向会显著影响拉伸和蠕变行为，而疲劳各向异性可能不那么明显，这突显了进行专门裂纹扩展研究的必要性，而不能仅从相关性质和LPBF的趋势中进行推断[20]。
这种机制理解得到了之前关于LPBF和DED制造的AM Inconel 718的FCG研究的补充[17]，[18]，[19]，这些研究表明，如果未通过热处理消除粗大的δ相和Laves相，它们会对FCG抗力产生不利影响，因为这些相会成为应力集中区或脆弱的裂纹路径。同时，HIP处理或均质化处理可以通过减少缺陷、抑制偏析引起的次级相以及在时效过程中促进更有利的γ’/γ’’沉淀来带来益处[20]，[22]。对于DED制造的Inconel 718来说，这些问题尤为重要，因为其标准化的后处理流程尚不成熟，且高温疲劳/FCG的数据也较为有限[20]。
目前尚缺乏涵盖多种后处理方式及明确关联裂纹扩展机制的LENS制造的Inconel 718在室温和高温下的FCG行为的数据集。因此，本研究旨在系统地理解LENS制造的Inconel 718的工艺-微观结构-性能关系，重点关注枝晶间次级相、后处理和测试温度对FCG的控制作用。材料采用两组LENS工艺参数进行制造，评估并比较了几种LENS后热处理的效果，并在室温和650°C下测量了FCG行为。随后通过断口分析将测得的裂纹扩展行为与微观结构特征联系起来，以确定有助于提高疲劳抗力的有利微观结构和相应的工艺流程。
部分摘录
材料加工
增材制造的Inconel 718样品由Benét实验室使用Optomec LENS 850-R系统生产。表1列出了低功率（LP）和高功率（HP）构建过程中的工艺参数。所用基材为厚度为13毫米的沉淀硬化型Inconel 718板材。构建过程中尽量保持接近净成形状态以减少材料去除量。图1所示的FCG构建件几何尺寸为64 × 13 × 64毫米3（纵向）。
原始微观结构
图2(a)展示了使用HP参数制造的代表性2毫米高样品的T-D平面微观结构。观察到了明显的微观结构特征，包括柱状晶粒结构、层状带和构建件-基材界面。还发现了孤立的球形气孔，其最小和最大孔径分别为8微米和40微米。在更高放大倍数下（图2(b,c)），观察到柱状晶粒内部的细小γ晶粒，而在HP条件下，晶粒臂间距...
结论
LENS制造的Inconel 718具有与锻造Inconel 718不同的独特微观结构，这些结构导致了不同的FCG行为。尽管DED快速冷却能够形成非常细小的γ晶粒和DAS，但仍观察到偏析现象，以及枝晶间区域的Laves相形成。在LENS制造过程中，强化沉淀相没有足够的时间形成，导致原始材料的强度和显微硬度较低。然而，LENS后的直接短...
作者贡献声明
戴安娜·A·拉多斯（Diana A. Lados）：负责写作、审稿与编辑、项目管理、方法论制定、资金争取和概念构思。格雷戈里·N·维吉兰特（Gregory N. Vigilante）：负责写作、审稿与编辑、项目管理、方法论制定和概念构思。埃里克·J·布朗（Eric J. Brown）：负责写作、审稿与编辑、资源协调、项目管理、方法论制定和概念构思。翟宇伟（Yuwei Zhai）：负责写作、审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、方法论研究、数据分析与整理。安东尼（Anthony）：
利益冲突声明
? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：戴安娜·拉多斯报告称她获得了美国陆军Benet实验室的财务支持。如果还有其他作者，他们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。
致谢
作者感谢综合材料设计中心（iMdc）的联盟成员对伍斯特理工学院（WPI）增材制造项目的支持。特别感谢Quintus Technologies的Anders Eklund博士进行HIP处理，以及StressMap的Sanjooram Paddea博士进行残余应力测量。
