双激光粉末床熔融制备IN718合金的显微组织与力学性能

《Journal of Materials Research and Technology》：Microstructure and mechanical properties of IN718 alloy fabricated by dual-laser powder bed fusion

　　

研究人员通过一种新型同步双激光粉末床熔融（LPBF）策略制备了高致密度IN718合金。通过主动重构局部热历史，二次热输入延长了液相寿命，增强了熔池抗缺陷稳定性，并拓宽了最佳工艺窗口。基于一次枝晶臂间距粗化的回顾性计算表明，局部冷却速率降低了约21.2%。随后的电子背散射衍射（EBSD）分析证实，这种热调制破坏了连续外延生长，促进了柱状晶向等轴晶转变（CET），并减轻了晶体学各向异性。此外，强烈的横向热冲击引起了几何必需位错（GNDs）的大量增殖。在这种增强的加工硬化的驱动下，水平双激光试样实现了优异的强度-塑性协同（屈服强度：718 ± 5 MPa，极限抗拉强度：1004 ± 6 MPa，延伸率：29.5%），显著优于传统单激光基准。通过定量解耦这些强化机制，本研究阐明了GNDs与晶界之间的方向性权衡，为专门优化高温合金部件（如涡轮盘）的横向承载能力提供了一种定制化策略。

论文解读：

IN718是一种典型的镍基高温合金，凭借优异的抗氧化腐蚀性能和高温力学性能，在先进发电、石油化工和重型工业领域应用广泛。然而，采用常规单激光粉末床熔融（LPBF）成形IN718时，超快冷却速率下单向温度梯度驱动晶粒沿沉积方向连续外延生长，形成粗大柱状晶和强烈晶体学各向异性；同时单次热输入易诱发未熔合与锁孔缺陷，并加重凝固末期Nb、Mo等元素在枝晶间和层间的偏析，促进脆性Laves相析出，导致局部力学性能退化。传统激光重熔等二次热干预手段受热调控能力限制，难以根本解决溶质偏析和三维空间内位错各向异性调控问题。为此，本研究提出一种新颖的同步双激光协同扫描策略，通过第二束激光引入二次热输入和局部重熔，主动重构熔池热历史，以破坏单向温度梯度、促进柱状晶向等轴晶转变（CET），并调控位错组态与力学性能。

研究人员采用气体雾化IN718粉末（Avimetal增材制造技术（北京）有限公司，粒径15–53 μm），在配备主激光（P1，光斑45±5 μm，最大500 W）和辅激光（P2，光斑60±5 μm，最大300 W）的HBD-150设备上进行单、双激光LPBF成形。双激光模式中，主激光先扫描，辅激光延迟1 s沿相同路径扫描。主要表征方法包括：阿基米德法测相对密度；SEM/EDS观察显微组织和元素分布；TEM/SAED鉴定物相；EBSD分析晶体取向、晶粒尺寸和几何必需位错（GNDs）密度；室温拉伸测试水平和垂直方向力学性能，并观察断口。基于一次枝晶臂间距（PDAS）经验公式估算冷却速率，结合Hall-Petch、Bailey-Hirsch和固溶强化模型定量拆解各种强化机制的贡献。

研究结果按原文小标题分述如下。

**3.1 单、双激光配置下的工艺窗口**：通过绘制相对密度等高图和观察不同参数下SEM截面缺陷形貌，发现双激光策略显著扩大了可获得高相对密度（≥98%）的工艺窗口，将最佳扫描速度上限从约900 mm/s扩展至1300 mm/s。二次热输入稳定了熔池、延长液相寿命，有效减少了未熔合和锁孔缺陷；但过高或过低的热输入仍会分别导致锁孔型气孔或熔化不足。

**3.2.1 显微组织表征**：XRD结果显示单、双激光试样均为γ-(Ni, Cr, Fe)面心立方固溶体，但双激光试样的(200)峰相对强度明显增强，表明<001>取向增多。SEM/EDS和TEM/SAED证实枝晶间/胞界处的亮白色析出相为富Nb/Mo的C14型Laves相。双激光试样的熔池深宽比由0.22增至0.53，PDAS由624±12 nm增至675±16 nm（约+8.2%），Laves相体积分数由4.980±0.248%增至5.192±0.179%（约+4.3%）。基于PDAS与冷却速率的关系式，估算单激光试样局部冷却速率约2.44×10⁶ °C/s，双激光试样约1.92×10⁶ °C/s，降低了约21.2%。这表明二次热输入降低了有效冷却速率，延长了局部高温停留时间，促进了溶质再分配和共晶Laves相形成。

**3.2.2 晶体取向分析**：EBSD沿沉积方向（BD）的IPF图显示，单激光试样以粗大柱状晶为主，具有强<101>//BD织构；双激光试样柱状晶比例显著下降，晶粒长度减小、宽度增加，平均晶粒尺寸由20.53 μm降至19.32 μm（约-5.9%），<001>//BD取向显著增强，整体织构更随机，发生明显CET。水平面上，双激光试样扫描道边界模糊，晶粒平均尺寸由16.94 μm增至17.56 μm，取向分布更分散，表明三维等轴化趋势。GNDs密度分析表明，垂直面上双激光试样GNDs密度由8.99×10¹³ m^-2降至8.29×10¹³ m^-2（约-7.8%），而水平面上则由9.16×10¹³ m^-2增至1.07×10¹⁴ m^-2（约+16.8%）。这归因于双激光引起的三维不对称热应力场：横向热冲击诱发局部塑性应变，导致水平方向位错大量增殖。

**3.3 拉伸性能**：室温拉伸测试显示，水平方向上双激光试样屈服强度（718±5 MPa）、抗拉强度（1004±6 MPa）和总延伸率（29.5%）均优于单激光试样（693±4 MPa、974±13 MPa、26.8%），断口韧窝呈明显双峰尺寸分布，塑性变形更充分。垂直方向上，双激光试样抗拉强度与单激光相当（892±5 MPa vs 895±4 MPa），但屈服强度由646±8 MPa降至576±20 MPa，延伸率由38.9%降至32.9%，断口出现较浅韧窝和撕裂棱，与层间Laves相偏析加重、相对密度略有下降（98.16%→98.00%）导致的缺陷敏感性增加有关。

**3.4 强化机制**：基于实验测得的晶粒尺寸、GNDs密度和基体成分，分别采用Hall-Petch、Bailey-Hirsch和固溶强化模型计算各强化贡献。固溶强化贡献最大（单、双激光分别为322 MPa和318 MPa），晶界强化在垂直方向从157 MPa增至161 MPa、水平方向从173 MPa降至169 MPa，位错强化在垂直方向从110 MPa降至106 MPa、水平方向从111 MPa增至120 MPa。在垂直方向，晶界强化与位错强化的变化相互抵消，理论屈服强度几乎不变，但实验值下降约10.8%，表明层间Laves相偏析和缺陷等非理想因素主导了该方向的性能退化。在水平方向，位错强化的增量（+9 MPa）完全补偿了晶界强化（-3 MPa）和固溶强化（-5 MPa）的损失，因此宏观屈服强度显著提高。这表明强烈的横向热冲击驱动的位错加工硬化是双激光水平试样获得优异强度-塑性协同的内在原因。

讨论部分指出，双激光策略的本质是通过二次热输入降低凝固冷却速率，从而改变凝固组织、晶体取向和位错分布。GNDs在垂直与水平方向呈现相反的变化趋势，与晶界强化形成方向性权衡。这种权衡决定了宏观力学各向异性：水平方向因位错强化增强而受益，垂直方向则因脆性Laves相层间偏析而受损。因此，可通过调控热输入来定向优化高温合金部件的横向承载性能。

**4. 结论**（原文翻译）：
（1）双激光配置的二次热输入显著稳定了熔池并延长液相寿命，有效抑制未熔合和锁孔缺陷，从而大幅拓宽了制备高致密IN718部件的工艺窗口。
（2）双激光加工将局部冷却速率降低约21.2%，导致一次枝晶臂间距粗化（从624±12 nm增至675±16 nm）和Laves相析出量略有增加。更重要的是，这种热调制破坏了单向向上温度梯度，阻碍柱状晶连续外延生长，促进明显的柱状晶向等轴晶转变（