一種創(chuàng)新的綜合打印策略實(shí)現(xiàn)增材制造IN718高溫合金的綜合性能顯著提升

來源：增材制造碩博聯(lián)盟

西安交通大學(xué)盧秉恒院士團(tuán)隊(duì)黃科教授課題組創(chuàng)新地設(shè)計(jì)了聯(lián)合擺動(dòng)打印+ 層間冷卻+ 短時(shí)熱處理的一種新型綜合增材制造策略，該策略可以降低直接能量沉積增材制造件的內(nèi)部氣孔和裂紋，進(jìn)而能顯著提升增材制造成形件的力學(xué)性能。相關(guān)的研究成果發(fā)表在材料領(lǐng)域頂級國際期刊《Journal of Materials Science & Technology》上。

Inconel 718 (IN718) 高溫合金是含鈮、鉬的沉淀硬化型鎳鉻鐵合金，在700℃時(shí)具有高強(qiáng)度、良好的韌性以及在高低溫環(huán)境均具有耐腐蝕性。由于在700℃時(shí)具有高溫強(qiáng)度和優(yōu)秀的耐腐蝕性能、易加工性，Inconel718合金可廣泛應(yīng)用于各種高要求的場合。

圖1 （a）傳統(tǒng)平動(dòng)制造工藝示意圖；（b）擺動(dòng)+層間強(qiáng)制冷卻策略示意圖

Inconel 718高溫合金因其優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、抵抗蠕變和疲勞性能等，目前已被廣泛應(yīng)用于航空航天、核電化工等諸多的領(lǐng)域�；�于電弧熔絲的增材制造技術(shù)快速制備或修復(fù)Inconel 718高溫合金大型零部件有望成為一種可靠的替代性工藝技術(shù)，以解決目前的傳統(tǒng)制造方式制造周期長、材料利用率較低等劣勢。

然而，傳統(tǒng)電弧增材制造的過程復(fù)雜的熱歷史和高的熱輸入使得程序過程合金的內(nèi)部元素偏析較嚴(yán)重，低熔點(diǎn)共晶相富集，從而會誘發(fā)產(chǎn)生較多的微裂紋。不合理的工藝成形過程還會造成大量的孔隙等缺陷產(chǎn)生，這些都會嚴(yán)重制約該技術(shù)的廣泛推廣和實(shí)際應(yīng)用。關(guān)注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟，免費(fèi)獲取海量增材資料，聚焦增材制造研究與工程應(yīng)用！

圖4 使用光學(xué)顯微鏡統(tǒng)計(jì)樣本缺陷分布及孔隙率特征：（a）平動(dòng)工藝；（b）擺動(dòng)工藝

圖5 EBSD結(jié)果顯示擺動(dòng)工藝具有更寬的層間細(xì)晶帶和更小的層間等軸晶組織：（a）平動(dòng)沉積態(tài)；（b）平動(dòng)熱處理態(tài)；（a）擺動(dòng)沉積態(tài)；（b）擺動(dòng)熱處理態(tài)

圖6 SEM結(jié)果顯示擺動(dòng)模式具有更低的Laves相體積分?jǐn)?shù)和更少的長鏈Laves比例：（a）（c）平動(dòng)工藝統(tǒng)計(jì)結(jié)果；（b）（d）擺動(dòng)工藝統(tǒng)計(jì)結(jié)果

該研究團(tuán)隊(duì)采用一種擺動(dòng)打印模式可以有效地促進(jìn)熔池的擴(kuò)展，提高熔池的搭接潤濕性，防止堆積溢流，從而可以獲得較高的成形幾何精度。此外，極低的能量熱輸入、較短的氣孔逸出距離可以將成形過程孔隙類的打印缺陷減少了77.78%，在Inconel 718高溫合金中最常見的裂紋缺陷也可以被完全消除。強(qiáng)制層間冷卻過程進(jìn)一步提高了增材制造成形過程的冷卻速率，這可以大幅降低了微觀偏析程度，減少了長鏈狀Laves相比例。關(guān)注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟，免費(fèi)獲取海量增材資料，聚焦增材制造研究與工程應(yīng)用！

圖8 經(jīng)（a，c）沉積態(tài)和（b，d）改性熱處理的WAAM-IN718的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖9 采用擺動(dòng)+層間冷卻+短時(shí)熱處理方式獲得優(yōu)異的強(qiáng)度-塑性權(quán)衡（a）沉積態(tài)統(tǒng)計(jì)結(jié)果對比；（b）熱處理態(tài)統(tǒng)計(jì)結(jié)果對比

最后，經(jīng)短工藝改性熱處理后，沉積態(tài)的Inconel 718高溫合金的各向異性力學(xué)行為同樣也會被消除。與傳統(tǒng)平行模式的成形樣品相比，振蕩路徑樣品的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度能夠分別提高5.75%和9.25%，延伸率能夠顯著提高51.20%，從而獲得了優(yōu)異的強(qiáng)度-塑性權(quán)衡。這項(xiàng)研究工作為增材制造大型高性能Inconel 718零部件提供了可靠的工藝參考。

圖9 熔池的形狀及其形成機(jī)制