在Inconel 718直接能量沉积过程中，通过逐道重熔与超声振动处理来减少缺陷并提升机械性能的工艺意义

《Ultrasonics》：In-process implication of inter-pass re-melting and ultrasonic vibration in direct energy deposition of Inconel 718 for mitigating defect and enhancing mechanical properties

　　摘要：镍基超合金如IN718的定向能量沉积工艺常常面临元素偏聚、晶粒不均匀、存在微孔以及熔合不良等问题。本研究探讨了在定向能量沉积过程中，通过逐层激光重熔和超声振动技术实时改善晶粒结构，从而提升材料的力学性能与摩擦学性能。研究重点是通过单独或结合使用重熔与超声振动技术来制备IN718样品。重熔作用可促使柱状晶粒部分碎裂，Laves相部分溶解，同时减少微孔数量；而超声振动则能有效降低孔隙率，使晶粒完全碎裂，形成细小的等轴晶结构。单独应用这两种技术虽能提高硬度、耐磨性及强度，但结合使用重熔与超声振动时，沉积缺陷可显著减少（几乎无孔隙），晶粒结构更加均匀，进而使材料的力学性能和摩擦学性能得到最大程度的提升。采用该组合技术后，摩擦系数降低约24-26%，显微硬度上升约25%；磨损率下降约48%，抗拉强度提高约23%。由此可见，超声振动与重熔技术的协同作用为制造高性能的IN718部件提供了有效途径。

引言：因科镍718是一种以镍为主要成分的固溶强化合金。它以其优异的耐磨性和耐腐蚀性，以及较高的屈服强度、疲劳强度和抗拉强度而广受认可[1][2]。该材料在高温环境下的出色耐磨防腐性能，使其成为核工业、海洋工程、航空航天及汽车工业中的首选材料，常用于制造压力阀、换热器、发动机部件、燃气轮机叶片等关键零件[3]。近年来，随着激光定向能量沉积等增材制造技术的发展，由于其具有沉积速率高、热输入低、变形小且金属结合良好的优点，这类技术在IN718零件的制造与修复领域受到了广泛关注[4]。然而，通过定向能量沉积法制造的IN718零件往往存在孔隙、元素偏聚、表面质量差以及晶粒结构不均匀等问题，这些缺陷会严重影响其力学性能。因此，关于通过定向能量沉积技术制造零件的相关研究日益增多[5][6]。

近年来，学术界和工业界对定向能量沉积技术用于IN718合金的制造或修复方法表现出越来越大的兴趣，因为这类技术有望延长零件使用寿命并降低生产成本[7]。众多研究已探讨了通过定向能量沉积技术制造的不同合金零件的微观结构与力学性能。现有文献中尤其强调了激光功率、粉末供给速率及扫描速度等关键加工参数对零件性能的影响[5][6][8][9][10][11][12]。尽管定向能量沉积技术具有诸多优势，但在IN718零件中，由制造过程引入的孔隙及不均匀晶粒结构等问题依然难以避免，且会对材料的力学性能造成严重损害。因此，亟需改进定向能量沉积技术，有效抑制孔隙形成并实现均匀的晶粒结构，从而提升IN718零件的力学性能。

近年来，激光重熔技术被广泛用作定向能量沉积法制造因科镍718后的后续处理或原位细化技术，在多项研究中均显示出能够改善微观结构、提升表面完整性并减少缺陷的优势[13]。对通过定向能量沉积法制成的IN718层进行激光重熔后，Laves相含量显著降低，Nb元素的偏聚现象得到抑制，枝晶结构更为细化，同时硬度和表面质量也有所提升。Xin等人[14]研究了激光金属沉积层的重熔效果，发现Laves相含量降低了22.4%，且随着扫描速度的增加，主晶枝间距也会减小。Patil等人[15]则证实，对定向能量沉积法制成的IN718表面进行激光重熔，可通过加速重熔区域的冷却速度，提升表面质量，降低粗糙度，减少孔隙，并促进等轴晶的形成。Jha等人[16]进一步研究了熔池的热历史，发现重熔过程中的较高冷却速率有助于减少元素偏聚，从而提升材料的力学性能和耐磨性。Singh等人[17]则研究了层间重熔技术，发现该技术同样能够使沉积过程中的晶粒结构更加均匀，使熔滴轮廓更加平坦，细化次要相，同时降低柱状晶的纵横比。总体而言，这些研究都表明，无论是作为后续处理还是原位处理，激光重熔都是一种有效的手段，可用于细化微观结构、减少孔隙、抑制有害相的形成，进而提升定向能量沉积法处理过的因科镍718材料的表面完整性与力学性能。不过，尽管已有诸多进展，现有文献仍缺乏对激光重熔参数如何影响热历史、微观结构演变、缺陷发展行为以及最终材料力学性能的全面机制与定量分析。

近年来，人们越来越重视将超声振动与基于激光的增材制造技术相结合，以此提升沉积层的力学性能与表面质量[18]。超声振动会产生空化效应和声流效应这两种非线性现象，它们会影响熔融材料的结晶与凝固过程[19]。这两种效应有助于改善微观结构，减少孔隙，提升化学成分的均匀性。Wang等人[20]研究了在因科镍718的定向能量沉积过程中，通过改变超声振动频率（0-41 kHz）所带来的影响。超声振动可释放出被困气体，从而降低沉积样品的孔隙率。在41 kHz的频率下，由于声压较高，晶粒尺寸从12.5 μm降至4 μm，这使得沉积零件的耐磨性相比原始状态有所提升。Zhu等人[21]则证明，在因科镍718的激光熔覆过程中施加超声振动，可细化晶粒，提升显微硬度，还能部分消除Laves相颗粒，这充分体现了超声振动通过强空化效应所引发的凝固优化作用。Ning等人[22]发现，在IN718的紫外光定向能量沉积过程中，施加不同频率（0-41 kHz）的超声振动，可显著改变熔池温度，促进晶粒细化，且在25 kHz频率下，由于能更有效地消除熔合缺陷，孔隙率也会降至最低。Dash等人[23]则研究了不同超声频率对因科镍625的定向能量沉积过程的影响，发现28 kHz频率可通过将柱状晶转变为更细小的等轴晶来促进晶粒细化，同时超声振动还能使微孔数量减少75%。这一作用使得显微硬度提升10-15%，磨损率降低60%，耐腐蚀性也得到改善。其原因在于较低的超声频率能使较长的晶粒变短，提升材料密度，同时促进合金元素的均匀溶解。尽管超声振动已被证明能够改善定向能量沉积法制造因科镍718材料的熔池流动、形核行为及微观结构细化效果，但文献中仍经常出现表面粗糙度高、表面不平整以及熔合不良等问题。

先前的研究指出，基于激光的镍基合金制造工艺会带来诸多挑战，包括元素偏聚、晶界处析出相的形成、微孔的存在，以及相邻沉积层之间熔合不完全等问题。为改善定向能量沉积法制造IN718材料的微观结构与性能，人们已经通过优化加工参数，以及采用超声振动辅助、重熔技术及后续处理等方法进行了大量研究。然而，仅依靠传统的加工参数，要同时实现元素分布的控制、缺陷的减少以及晶粒结构的均匀化仍然十分困难。因此，人们开始越来越多地考虑采用先进的综合加工策略，如超声振动与逐层激光重熔技术，以此主动调控沉积过程中的熔池动态、凝固行为及微观结构演变。这些方法有望细化晶粒形态，抑制次要相的偏聚，减少孔隙，从而提升零件的整体性能。不过，目前关于在定向能量沉积IN718过程中，逐层重熔与超声振动联合作用的研究还相对较少，尤其是关于它们在微观结构细化与力学性能提升方面的协同效应研究更为匮乏。因此，本研究全面分析了激光重熔与超声振动联合使用对IN718材料晶枝间距、元素偏聚、硬度、耐磨性及抗拉性能的影响，为优化加工条件、提升定向能量沉积法制造IN718零件的质量提供了有益参考。

实验装置：样品的制备采用了波长为1.064 μm、最大工作功率为250 W、光斑直径约为800 μm的连续波Nd:YAG激光系统。如图1所示，定向能量沉积实验装置由Yb光纤激光系统、自行设计的同轴激光熔覆头以及单料斗式粉末供给器（制造商：Metal Coat，型号：MPF-700）组成。在粉末输送过程中，氩气被用作载体气体。

逐层重熔与超声振动对微观结构的影响：通过定向能量沉积法制备的IN718样品的微观结构与传统铸造或锻造而成的IN718存在显著差异[25]，这主要是由于分层沉积过程中的快速凝固条件以及反复的热循环作用所致。在沉积过程中形成的熔池中，晶粒多呈长柱状，且主要沿沉积方向排列，这表明该材料发生了明显的定向凝固现象，这也是此类沉积工艺的典型特征。

结论：在本研究中，我们采用了带有超声振动与逐层激光重熔功能的定向能量沉积技术来制造IN718零件，以此实现缺陷减少、晶粒均匀化，同时控制次要相的形成。本研究得出的主要结论如下：逐层重熔技术能够促使柱状晶粒转变为等轴晶粒，当重熔比例为60%时，晶粒均匀化效果最为显著。

作者贡献说明：Atul Kumar Mishra负责撰写原始稿件、验证实验结果、确定研究方法、开展实验研究、进行正式分析、整理数据以及构思研究思路；Suvradip Mullick负责文章的审阅与编辑、数据可视化处理、项目监督、资源协调、方法设计、实验研究、正式分析及概念构思工作；Chetan未参与具体贡献。

未引用参考文献：[29][32][49][55][56][57][58][59][66][69][70]

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到了IITG TIDF项目（项目编号：TIH/TD/0418）的财政支持。

Atul Kumar Mishra | Suvradip Mullick | Chetan
印度奥里萨邦布巴内斯瓦尔市，印度理工学院机械科学学院