《Materials & Design》：Influence of deposition-induced directional stochasticity on strengthening mechanisms and anisotropy in LW-DED printed IN718
编辑推荐：
激光线材定向能量沉积（LW-DED）打印的IN718合金中，沉积诱导的方向随机性系统地增加了小角度晶界（LAGB）的比例。基于核平均取向差（KAM）的几何必需位错（GND）估算表明，高随机性路径可局部化更高的位错密度，从而在沉积态实现强度调控。方向随机性提供了
激光线材定向能量沉积（LW-DED）打印的IN718合金中，沉积诱导的方向随机性系统地增加了小角度晶界（LAGB）的比例。基于核平均取向差（KAM）的几何必需位错（GND）估算表明，高随机性路径可局部化更高的位错密度，从而在沉积态实现强度调控。方向随机性提供了一种可控的工艺级工具，用于调节晶界强化与位错强化对屈服强度的贡献平衡。具有高方向随机性的蜂窝状沉积路径能最有效地抑制建造平面内占主导的〈001〉凝固织构，并增强竞争性的〈111〉取向。蜂窝状策略在不同平面和扫描策略中表现出最小的变异系数和各向异性因子。
**论文解读：沉积路径方向随机性对LW-DED IN718合金强化机制与各向异性的调控**
**1. 研究背景与问题**
金属增材制造（AM）技术通过逐层堆积方式制造复杂三维零件，其中激光线材定向能量沉积（LW-DED）因其高沉积速率和低孔隙率，在航空航天大型结构件制造中具有显著优势。然而，LW-DED的熔池尺寸更大、更深，导致更强的外延晶粒生长和显著的微观组织不均匀性。这种不均匀性来源于复杂的热循环和材料传输，表现为晶粒结构、织构和成分的差异，严重影响硬度、屈服强度和弹性模量等力学性能，并导致各向异性行为。此前对LPBF、粉末L-DED和WAAM工艺的研究表明，扫描路径对晶粒形态、织构和力学各向异性有显著影响，但针对高沉积速率LW-DED工艺中IN718合金，特别是利用统一运动学描述符定量关联路径几何与三维微观组织和力学均质性的研究尚不充分。本研究的核心动机在于：LW-DED的较深熔池意味着路径随机性的影响被放大，而现有研究多聚焦于粉末床系统。研究人员提出假设：增加方向随机性将逐步破坏外延柱状生长，削弱〈001〉织构，并改善不同建造取向上的力学均质性。
**2. 研究内容与主要技术方法**
为验证上述假设，研究人员设计了四种具有不同方向随机性水平的沉积路径——光栅式（raster）、三角形（triangle）、摆动式（wiggle）和蜂窝状（honeycomb），通过LW-DED工艺在SS304基板上沉积25×25×20 mm3的IN718立方块。采用四个独立描述符量化路径方向随机性：转向频率、扫描矢量角熵、弯曲度和层间序列旋转。微观组织表征采用立体显微镜、扫描电子显微镜（SEM）及能谱分析（EDS）、电子背散射衍射（EBSD）和X射线衍射（XRD）。力学性能测试包括维氏显微硬度和沿顶面与建造面的室温拉伸试验。需要指出，拉伸试验的延伸率采用夹头位移而非引伸计记录，但由于所有试样测试条件一致，策略间比较仍有效。
**3. 研究结果**
**3.1 宏观结构行为** 立体显微镜观察建造面发现，非线性沉积路径（三角形、蜂窝状）比线性策略（光栅式、摆动式）产生更大且更多变的熔池横截面积标准差（三角形：±0.69 mm2；蜂窝状：±0.53 mm2；光栅式：±0.15 mm2），表明非线性路径诱导更动态的热行为和不均匀凝固条件。
**3.2 微观结构行为** SEM和EDS表明所有平面均存在亮色Laves相，但分布形态不同：光栅式呈线性不连续网络，蜂窝状呈随机分布。三角形策略因固定角度的轨迹交叉造成局部重熔和较长凝固时间，在建造面呈现最高Laves相分数。EBSD分析显示顶面晶粒较细且更等轴，建造面呈现拉长的柱状晶。蜂窝状策略因120°循环序列旋转，产生粗细柱状晶的混合结构，并表现出最高的LAGB比例，有助于稳定微观组织并细化Laves相分布。XRD分析中，建造面的I(200)/I(111)比值显示：光栅式为9.78，蜂窝状为0.01，表明蜂窝状路径最有效地抑制了〈001〉织构。
**3.3 力学行为** 显微硬度映射表明，光栅式策略顶面硬度最高但各向异性分布明显，蜂窝状策略在各平面表现出最均匀的硬度分布（顶面258±12 HV，建造面265±10 HV，对角面256±10 HV）。拉伸试验显示，光栅式策略表现出最大的拉伸强度各向异性（顶面799±40 MPa，建造面882±18 MPa），而蜂窝状策略在顶面和建造面间显示更均匀的拉伸和屈服强度。摆动式策略在建造面屈服强度最高（620 MPa），与强倾斜〈001〉织构相关。
**3.4 冷却速率影响** 热模拟显示冷却速率高度依赖沉积路径。蜂窝状策略在多层层积中产生较高冷却速率，减少Laves相形成并细化枝晶间距，但其冷却速率的标准差较大，解释了粗细柱状晶混合存在的现象。
**3.5 强化机制与各向异性讨论** 将屈服强度分解为晶格固有强度、晶界强化、固溶强化和位错强化。固溶强化贡献最大（约288–309 MPa），位错强化贡献变化范围最大（约80–163 MPa），表明其对沉积路径依赖的热历史的敏感性。蜂窝状策略因高低位错密度和均匀的晶粒分布，在顶面和建造面表现出相近的强化贡献和较低的各向异性。各向异性因子和变异系数分析进一步证实，蜂窝状策略组合了低各向异性因子和低变异系数，表明其在跨平面方向依赖性和平面内局部均匀性方面均表现最优。
**4. 总结与结论**
研究人员系统研究了四种沉积路径对LW-DED IN718合金微观组织和力学均质性的影响，建立方向随机性与强化机制间的定量联系。结论如下：方向随机性通过调控熔池几何、晶粒结构和织构演化，成为控制LW-DED IN718各向异性的主要因素。蜂窝状路径通过非重复的120°循环层间旋转和层内几何变异，在体积尺度上破坏热流路径的持续性，有效抑制柱状外延生长和〈001〉织构，提高LAGB比例，均匀化Laves相分布，从而在三个平面均实现最优的微观组织和力学性能均匀性。研究的意义在于证明沉积路径方向随机性可作为独立于后热处理的工艺级调控工具，为调控增材制造IN718沉积态力学性能提供了新策略。该研究同时指出，方向随机性对热历史的调制机制在合金系统中具有普适性，但具体强化机制需根据合金体系的热力学和动力学框架加以解释。
