基于位错密度的晶体塑性模型揭示电弧增材制造IN718各向异性行为

《Journal of Materials Research and Technology》：Crystal plasticity model based on dislocation density for anisotropic behavior of wire arc additively manufactured IN718

　　

电弧增材制造（WAAM）中的力学各向异性源于工艺诱导的晶粒形态、晶体学取向和位错演化的耦合效应。然而，定量解析这些相互作用仍然是一个重大挑战。因此，研究人员开发了一个集成的蒙特卡洛–基于位错密度的晶体塑性框架，用于研究微观结构依赖的各向异性。模拟的柱状晶粒形态与电子背散射衍射（EBSD）观察结果吻合良好，平均晶粒宽度偏差为2.6%，而预测的屈服强度与实验结果的差异小于7%。较高的冷却速率缩短了高温停留时间，在保持柱状形态的同时抑制了晶粒生长，从而增强了方向依赖的晶界强化。随着扫描速度从4 mm/s增加到8 mm/s，最大冷却速率从110.86 °C/s上升到255.92 °C/s，而平均晶粒宽度和高度分别从243.09/2206.07 μm减小到169.01/1602.78 μm。相应的扫描方向（SD）/构建方向（BD）屈服强度从481.94/439.84 MPa增加到549.60/478.59 MPa，将屈服强度各向异性（定义为(SD?BD)/BD）从9.57%提高到14.84%。将温度从25 °C升高到650 °C，屈服强度各向异性从9.57%降低到2.97%，表明方向依赖性减弱。这项工作为揭示WAAM中控制力学各向异性的耦合微观结构和位错密度效应提供了一个力学框架。

**电弧增材制造IN718基于位错密度的晶体塑性模型及各向异性行为研究**

**一、研究背景与问题**

Inconel 718（IN718）是一种沉淀强化镍基高温合金，因其优异的高温强度、耐腐蚀性和抗氧化性，广泛应用于航空发动机、燃气轮机和核电装备等关键领域。电弧增材制造（WAAM，即Wire Arc Additive Manufacturing）作为一种高效率、高材料利用率的定向能量沉积（DED，即Directed Energy Deposition）增材制造技术，在大尺寸金属构件制造与修复方面展现出显著优势。然而，WAAM过程中反复的热循环、陡峭的温度梯度和定向热流不仅促进了粗大柱状晶粒的形成，还通过循环热膨胀和收缩产生非均匀残余应力。这些残余应力可能与微观结构诱导的各向异性效应相互作用，进一步影响局部屈服和变形非均匀性，从而导致扫描方向（SD，即Scanning Direction）与构建方向（BD，即Build Direction）之间方向依赖的力学响应。

尽管已有研究通过工艺参数优化、辅助场调控和热处理等手段尝试调控WAAM IN718的微观结构和力学性能，但大多数工作主要聚焦于宏观力学性能和事后微观结构表征。关于晶粒尺度的局部载荷分配、非均匀位错积累和塑性滑移局部化等潜在机制仍缺乏充分的定量认识。特别是扫描速度如何影响晶粒尺度的拉伸方向应力、位错密度演化和累积塑性滑移，以及这些因素如何共同导致各向异性响应的变化，尚未得到系统阐明。更重要的是，如果不将加工条件、微观结构演化和变形机制定量关联起来，就无法在一个统一的物理框架内解释扫描速度以及应变率和温度等服役相关变量对各向异性的影响。

**二、研究内容与意义**

针对上述问题，研究人员开发了一个集成热分析、蒙特卡洛（MC，即Monte Carlo）微观结构模拟和基于位错密度的晶体塑性有限元建模（CPFEM，即Crystal Plasticity Finite Element Modeling）的框架，用于建立WAAM IN718的工艺–微观结构–力学响应关联，并系统量化不同扫描速度、应变率和温度条件下各向异性的演化规律。研究人员首先通过瞬态有限元热模型再现了逐层沉积过程，将计算的温度历史传递给MC模型以模拟柱状晶粒结构演化，再将其作为微观结构输入导入CPFEM模型。通过与EBSD（电子背散射衍射）实验观察和室温和650 °C下的拉伸实验对比验证，该框架展现出良好的预测精度：模拟柱状晶平均宽度与EBSD测量值仅偏差2.6%，预测屈服强度与实验结果差异小于7%。基于验证后的模型，研究人员系统分析了扫描速度、应变率和温度对工程应力–应变响应、拉伸方向应力、位错密度和累积剪切应变的影响，尤其关注中心区域平均响应、SD/BD应力各向异性以及位错密度和塑性滑移的空间非均匀性。该工作为揭示WAAM IN718的变形与硬化机制提供了基于物理本质的理解，并为揭示其各向异性力学响应的工艺和服役条件依赖趋势提供了潜在基础。

**三、关键技术与方法概述**

本研究采用了三大核心技术方法。第一，建立了基于Goldak双椭球体热源模型的瞬态有限元热分析模型，模拟WAAM IN718的逐层沉积过程，获得瞬态温度场和热历史；扫描速度分别设为4、6和8 mm/s。第二，采用二维非等温MC模型模拟微观结构演化，通过引入方向依赖的转变概率捕捉定向热流下柱状晶的择优生长，并通过建立MC步与物理时间的定量关系将温度历史与晶粒生长动力学关联起来。第三，构建了基于位错密度的晶体塑性本构框架，该框架考虑了本征晶格阻力、Hall-Petch型晶界强化和Taylor型位错硬化三重贡献，其中位错密度演化由储存与动态回复的竞争控制，回复参数基于热激活变形框架描述温度和应变率效应。材料初始位错密度由X射线衍射（XRD）峰展宽分析获得，并通过Williamson-Hall方法计算。EBSD表征按照GB/T 36165-2018标准执行，拉伸试验按照GB/T 228.1-2010（室温）和GB/T 228.2-2015（高温）标准进行。

**四、主要研究结果**

**4.1 扫描速度对各向异性力学响应的影响**

热分析结果表明，随着扫描速度从4 mm/s提高到8 mm/s，峰值温度从2642.58 °C降至1657.60 °C，熔池长度和深度分别减小约52.50%和47.76%。同时，糊状区内最大冷却速率从110.86 °C/s显著上升至255.92 °C/s，表明更快的凝固过程。MC模拟显示，三个扫描速度下均形成了细长柱状晶粒，但晶粒尺寸随扫描速度增加而明显细化：平均晶粒宽度从243.09 μm减小至169.01 μm（降幅约30.47%），平均高度从2206.07 μm减小至1602.78 μm（降幅约27.35%），高度与宽度比保持在约9，表明晶粒保持了显著的柱状形态。

力学响应方面，SD方向屈服强度从481.94 MPa提高到549.60 MPa（增幅约14.04%），BD方向屈服强度从439.84 MPa提高到478.59 MPa（增幅约8.81%）。屈服强度各向异性（定义为(SD?BD)/BD）从9.57%提高到14.84%。然而，当工程应变达到0.10时，流动应力各向异性从4 mm/s时的16.67%逐渐减小到8 mm/s时的12.66%，呈现与屈服各向异性不同的趋势。这种差异源于不同变形阶段主导因素的演变：屈服时各向异性主要由柱状晶形态导致的方向依赖晶界强化、晶体学取向和工艺依赖的初始位错状态共同控制；随着塑性变形发展，取向依赖的滑移系统激活、位错积累和晶粒间力学相互作用逐渐重新分配局部载荷，BD方向变形抗力增幅相对更大，从而缩小了SD与BD之间的归一化应力差。

位错密度分析显示，在8 mm/s和SD条件下位错密度标准偏差最大，表明位错分布显著更不均匀。累积剪切应变的变异系数在SD方向从4 mm/s时的0.332急剧增加到8 mm/s时的0.631，说明较高扫描速度促进了更强的滑移局部化。

**4.2 应变率对各向异性力学响应的影响**

以4 mm/s条件为基础，在0.001、0.01和0.1 s^?1三种应变率下，工程应力随应变率提高而增加，表现出正的应变率敏感性。SD屈服强度从481.94 MPa提高到606.10 MPa（增幅25.76%），BD屈服强度从439.84 MPa提高到552.61 MPa（增幅25.64%）。应力各向异性随应变率提高略有增加：ε=0.10时各向异性从16.67%上升到17.71%，但各应变率条件下各向异性均从ε=0.05到ε=0.10而降低，表明变形过程中滑移活动在不同取向晶粒间发生了渐进式重新分配。

平均位错密度在SD方向从2.03×10¹⁵ m^?2增加到2.25×10¹⁵ m^?2（增幅约10.84%），BD方向从1.92×10¹⁵ m^?2增加到2.08×10¹⁵ m^?2（增幅约8.33%）。较高的应变率缩短了位错重排可用时间，促进了位错储存并增加了塑性变形抗力。与之相比，累积剪切应变及其变异系数仅表现出微弱变化，表明应变率强化主要源于增强的位错储存和滑移阻力增加，而非累积剪切变形总量或空间局部化的显著改变。空间分布显示，SD方向在较高应变率下产生更广泛的高应力区域，但晶粒尺度的变形非均匀模式未发生根本性改变，各向异性响应在整个应变率范围内得以保持。

**4.3 温度对各向异性力学响应的影响**

在25、300和650 °C下，工程应力和屈服强度均随温度升高显著降低，表现出明显的热软化效应。SD屈服强度从481.94 MPa降至362.37 MPa（降幅24.81%），BD屈服强度从439.84 MPa降至351.93 MPa（降幅19.99%）。值得关注的是，屈服强度各向异性从25 °C时的9.57%显著降至650 °C时的2.97%，表明温度升高有效削弱了方向依赖性。

平均位错密度在SD方向从2.03×10¹⁵ m^?2降至1.61×10¹⁵ m^?2（降幅约20.69%），BD方向从1.92×10¹⁵ m^?2降至1.60×10¹⁵ m^?2（降幅约16.67%），同时均值和标准偏差均减小，表明高温抑制了位错储存，降低了位错积累的空间非均匀性。该热软化行为与热激活位错运动密切相关：位错密度演化律中的动态回复项包含归一化激活能参数和温度依赖的热激活项，高温增强了位错重排和回复过程，物理上对应于更易发生的交滑移和攀移辅助位错运动。累积剪切应变在三个温度下变化不大，但其变异系数略有增加，表明尽管应力和位错密度场趋于均匀化，但取向依赖的累积晶体学滑移分配仍然持续存在。

空间分布分析进一步揭示了温度对各向异性响应的缓解机制。25 °C时SD方向在某些择优取向晶粒内呈现明显的高应力、高位错密度集中区域，而650 °C时高应力与低应力区域之间的对比显著减弱，位错场由相对低密度区域主导。高应力区与高位错密度区存在部分空间对应，但分布不完全重叠，表明局部响应还受晶体学取向、滑移系统活性、晶粒形态和晶间相容性的联合调控。

**五、总结与结论**

本研究成功开发了一个集成的热–微观结构–晶体塑性框架，系统揭示了WAAM IN718在不同扫描速度、应变率和温度下各向异性力学响应的晶粒尺度机制。研究结论可归纳为：(1) 耦合的MC和基于位错密度的晶体塑性模型准确再现了柱状晶粒形态和方向依赖的拉伸响应，模拟晶粒宽度与EBSD测量仅偏差2.6%，室温和650 °C屈服强度预测偏差均低于7%，验证了框架的可靠性。(2) 更高扫描速度减少热积累和熔池尺寸，提高冷却速率并细化柱状组织；屈服强度和各向异性的变化源于晶粒细化、晶体学取向和初始位错密度的耦合效应，而大应变下流动应力各向异性的降低是由于滑移活动在不同取向晶粒间的重新分配。(3) WAAM IN718在0.001–0.1 s^?1范围内表现为正应变率敏感性，应变率强化主要由增强的位错储存和滑移阻力增加主导，而非累积剪切变形的实质性变化。(4) 高温引起显著的软化效应，降低本征晶格阻力，通过温度依赖剪切模量削弱晶界和位错强化贡献，同时增强的动态回复抑制位错储存，共同减小了各向异性程度。(5) 局部场分布揭示出拉伸方向应力、位错密度和累积剪切应变存在显著的晶粒尺度非均匀性，各向异性响应受柱状晶形态、晶体学取向、工艺依赖的初始位错密度、晶间相容性、非均匀位错演化和局部滑移活性的耦合效应共同控制。上述趋势适用于扫描速度4–8 mm/s范围内SD/BD拉伸加载、应变率0.001–0.1 s^?1和温度25–650 °C条件。这些发现揭示了WAAM IN718各向异性响应背后的晶粒尺度机制，并为未来的工艺–微观结构–性能设计提供了潜在基础。