通过原位重熔调控胞状结构尺寸以增强激光粉末床熔融制备Inconel 625合金的强塑性协同性

《Materials Science and Engineering: A》：Enhancing strength-ductility synergy in laser-powder-bed-fusion-fabricated Inconel 625 alloy by tailoring cellular structure size via in-situ remelting

　　

摘要

胞状组织是激光粉末床熔融（LPBF）制备的金属和合金的一种特征性微观结构，对其强度和塑性具有显著影响。然而，胞状组织尺寸对这些性能的影响仍知之甚少。本研究采用不同的原位重熔工艺调控LPBF Inconel 625合金的胞状组织尺寸，并考察其对强度和塑性的影响。结果表明，全重熔样品的晶粒尺寸、胞状组织尺寸和几何必需位错密度均小于LPBF样品，而胞状组织边界处的Nb偏聚程度更高。与LPBF样品（屈服强度（YS）= 856 MPa，抗拉强度（UTS）= 1100 MPa，断后延伸率（EF）= 42%）相比，全重熔样品展现出更优的高强高塑组合（YS = 902 MPa，UTS = 1113 MPa，EF = 36%）。此外，胞状组织强化对合金屈服强度起主导作用，其贡献度从53%提升至64%。这一屈服强度的额外提升源于胞状组织细化与胞状组织边界Nb偏聚增强的协同作用。相反，塑性的轻微下降则归因于更细的胞状组织在拉伸载荷下容纳位错的能力减弱。总体而言，本研究提供了一种有效的策略，通过原位重熔调控胞状组织尺寸和胞状组织边界Nb偏聚程度，以平衡LPBF固溶强化镍基高温合金的高强度与高塑性。

引言

与传统铸锻Inconel 625合金不同，激光粉末床熔融（LPBF）制备（以下简称LPBF）的Inconel 625合金由于其固有的极高温度梯度、高凝固速率（10⁶–10⁸ K/s）和反复热循环，形成了独特的胞状组织[1], [2], [3]。这种独特的胞状组织赋予合金优异的力学性能。此外，与主要依靠固溶强化和晶粒细化机制强化的传统铸锻Inconel 625合金[4], [5]不同，LPBF合金还因其胞状组织获得了额外的强化效果[6], [7], [8]。因此，胞状组织对LPBF高温合金的强度和塑性均有显著影响。

研究表明，LPBF过程中形成的胞状组织在Cu合金[9], [10]、不锈钢[11], [12], [13]、中/高熵合金[14], [15], [16]和镍基高温合金[17], [18], [19]中均能实现优异的高强高塑组合。Liu等[9]报道，含胞状组织的LPBF Cu-Zn-Si合金优于具有密集退火孪晶的退火态合金，这主要归因于胞状网络的强化贡献更高。Chen等[10]表明，具有Cu₂O纳米析出相组装胞状组织的Cu-0.6O合金实现了高强度和高电导率，因为胞壁阻碍了位错运动同时保留了长的电子平均自由程。Wang等[11]报道，LPBF 316L不锈钢具有层次化异质微观组织，包括凝固胞、小角晶界和位错，这些组织提高了屈服强度（YS），同时通过渐进加工硬化维持了塑性。Liu等[12]将LPBF 316L不锈钢的优异高强高塑组合归因于内禀胞状组织和变形孪晶的协同作用，其中胞状组织的贡献遵循尺寸依赖的Hall-Petch关系。先前关于LPBF不锈钢的研究也支持了胞状组织在协调强化与塑性变形方面的作用[13]。Guo等[14]证明，Ni₃₅Co₃₅Cr₂₅Ti₃Al₂中熵合金中偏聚-位错自组织结构同时充当位错源和位错屏障，从而在不牺牲塑性的前提下提高强度。Turnali等[15]表明，增材制造在Al_10.5Co₂₅Fe_39.5Ni₂₅多元主元素合金中诱导的胞状组织促进了析出相体积分数提高、尺寸细化和间距减小，从而实现了超高强度。Shi等[16]报道，LPBF FeCoNiAlTi高熵合金中的胞状组织贡献了近80%的屈服强度；此外，该结构在高塑性流变应力下保持稳定，支持了高的加工硬化能力和大的均匀延伸率。Zhang等[17]观察到，LPBF GH4099合金中的典型胞状组织即使在900°C下也能改善强度和塑性。Liu等[18]发现，LPBF在Haynes 230合金中诱导的胞状组织通过位错强化和元素偏聚强化的联合作用产生了优异的拉伸性能。此外，Tian等[19]证实，在LPBF镍基高温合金中调控含有纳米级γ'析出相的胞状组织可以产生有利的高强高塑协同效应。这些研究表明，胞状组织的形成是获取LPBF合金优异高强高塑组合的有效策略。然而，由于胞状组织尺寸对力学性能的影响仍不清楚，必须系统研究其对LPBF Inconel 625合金的影响。

为弥补这一知识空白，本研究旨在考察胞状组织尺寸对LPBF Inconel 625合金强度和塑性的影响。采用不同的原位重熔策略调控胞状组织尺寸，旨在实现强度和塑性的协同增强。采用透射电子显微镜（TEM）研究了LPBF Inconel 625合金的变形行为，揭示了胞状组织与位错之间的相互作用。通过将TEM观测结果与能量色散X射线光谱（EDS）线扫描相结合，阐明了胞状组织尺寸对合金屈服强度的贡献。总体而言，本研究提供了一种有效的策略，以平衡LPBF固溶强化镍基高温合金的高强度与高塑性。

章节摘要

材料制备

Inconel 625合金粉末采用等离子旋转电极法制备，其化学成分见表1。采用Quanta FEG热场发射扫描电子显微镜（SEM）考察合金粉末形貌，如图1a所示。粉末具有良好的球形度，少量不规则形状颗粒和卫星液滴。合金粉末的粒径分布采用Bettersize仪器测量。

熔池形貌

图2展示了LPBF样品、10层重熔样品和全重熔样品在XOZ面上的熔池形貌。熔池边界清晰可辨，呈现规则的鱼鳞状或重叠鳞状排列（图2a–c）。由于LPBF重熔所采用的体积能量密度降低至初始LPBF加工时的80%，输入能量不足以完全熔透粉末层厚度[21]。熔池深度……

强化机制与强度贡献

实验结果表明，LPBF Inconel 625合金具有粗晶粒、细胞状组织和高GND密度（图2和4）。因此，LPBF Inconel 625合金的屈服强度可归因于四个主要贡献：基体强度（σ₀）、固溶强化（σ_SS）、晶界强化（σ_GB）和胞状组织强化（σ_C），其中后者包含位错强化（σ_D）和成分偏聚强化（σ_SE）[36]。

结论

• (1)
  原位重熔降低了LPBF Inconel 625合金的晶粒尺寸和胞状组织尺寸，并降低了其GND密度，而胞状组织边界处的Nb偏聚程度增加。此外，所有样品的变形机制以位错滑移为主，孪生为辅，并伴随形变带（SFs）的形成。
• (2)
  与LPBF样品（YS = 856 MPa，UTS = 1100 MPa，EF = 42%）相比，全重熔样品展现出更优的……

CRediT作者贡献声明

高宇碧：写作 – 审阅与编辑、调查研究、资金获取。徐佳玉：写作 – 审阅与编辑、数据整理。贾成：写作 – 原稿撰写、正式分析、数据整理。丁宇田：监督指导、方法论、资金获取、概念构思。张红飞：写作 – 审阅与编辑、数据整理。卢孙军：资金获取、概念构思。范宇：资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能会影响本文所报告的工作。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢

本研究得到2023年兰州理工大学弘刘优秀青年学者项目的资助，甘肃省重点研发计划（26YFGA024），甘肃省重大科技项目（编号：23ZDGA010、22ZD6GA008、23ZDGC002），甘肃省教育厅青年博士支持计划（2025QB-022），国家重点研发计划（编号：2017YFA0700703），以及基础研究……

高宇碧|贾成|徐佳玉|张红飞|丁宇田|范宇|卢孙军

兰州理工大学材料科学与工程学院，甘肃兰州，730050，中国