南理工與新里斯本大學(xué)、英尼格瑪：路徑優(yōu)化提升電弧增材Inconel 625室溫與高溫性能

來(lái)源：增材工業(yè)

電弧增材制造技術(shù)（DED-Arc）作為一種新興的增材制造技術(shù)，因其高效率、低成本和大尺寸成形能力，在Inconel 625合金制造領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。然而，傳統(tǒng)DED-Arc工藝往往形成具有明顯<001>取向的柱狀晶組織，這種結(jié)構(gòu)特征使得材料難以同時(shí)獲得理想的強(qiáng)度和延展性。

研究背景與意義
近期研究發(fā)現(xiàn)，提高線能量密度（LED）可有效改善Inconel 625合金性能，使柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榻�等軸晶，但打印路徑切換的具體作用機(jī)制尚不明確。同時(shí)，增材制造特有的層間界面特性會(huì)顯著影響材料力學(xué)性能，特別是在高溫下易導(dǎo)致界面應(yīng)變集中和早期失效。因此，深入探究層間界面在不同溫度下的影響機(jī)制，對(duì)優(yōu)化工藝和提升材料性能具有重要價(jià)值。

基于上述研究背景，南京理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)與葡萄牙新里斯本大學(xué)、英尼格瑪聯(lián)合在Materials Research Letters上發(fā)表了最新研究成果"Enhanced mechanical properties and deformation mechanisms in DED Inconel 625 via printing path switching"，系統(tǒng)探討了打印路徑設(shè)計(jì)對(duì)材料組織性能的影響規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)方法
本研究采用冷金屬過(guò)渡（CMT）電弧增材制造技術(shù)，在70% Ar + 30% He混合氣體保護(hù)下制備Inconel 625合金樣品。為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，研究團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了關(guān)鍵工藝參數(shù)：電流116A、送絲速度4.6m/min、線能量密度140J/mm，采用層間90°旋轉(zhuǎn)路徑策略制備直徑50 mm、長(zhǎng)度100 mm的圓柱試樣。

為全面表征材料性能，研究采用多尺度分析方法：通過(guò)XRD、OM、SEM-EBSD和TEM系統(tǒng)分析微觀組織演變；利用顯微硬度測(cè)試和室溫/高溫（400-850℃）拉伸實(shí)驗(yàn)評(píng)估力學(xué)性能。

結(jié)果與討論

3.1微觀結(jié)構(gòu)特征

微觀結(jié)構(gòu)分析揭示了打印路徑設(shè)計(jì)的顯著影響。與傳統(tǒng)0°路徑樣品相比，采用90°路徑切換制備的樣品展現(xiàn)出獨(dú)特的近等軸晶特征：平均晶粒長(zhǎng)度為527±5 μm，寬度為172±7 μm（長(zhǎng)寬比3.06），且在層界面處形成細(xì)晶區(qū)（37±2μm）。XRD分析顯示樣品為單相面心立方結(jié)構(gòu)。

研究證實(shí)，高LED結(jié)合路徑切換能有效降低熔池溫度梯度，抑制柱狀晶外延生長(zhǎng)，同時(shí)通過(guò)增加重熔深度和提供新形核位點(diǎn)促進(jìn)等軸晶形成，從而優(yōu)化材料微觀結(jié)構(gòu)。這一工藝組合為實(shí)現(xiàn)柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變提供了有效途徑。

3.2室溫力學(xué)性能
室溫力學(xué)性能測(cè)試表明，采用90°打印路徑制備的近等軸Inconel 625樣品展現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度-塑性匹配，其屈服強(qiáng)度達(dá)401±12 MPa，抗拉強(qiáng)度724±5 MPa，延伸率57±5%。材料表現(xiàn)出典型的三階段加工硬化行為，特別是在8-25%應(yīng)變區(qū)間表現(xiàn)出加工硬化能力提高，使其獲得高達(dá)41.3 GPa*%的強(qiáng)塑積，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)熱軋合金（32.1 GPa*%）。

微觀機(jī)制分析揭示，近等軸樣品晶粒較大（232±16 μm vs 熱軋樣品<130 μm），其卓越性能主要來(lái)自兩方面：一是位錯(cuò)強(qiáng)化的關(guān)鍵作用，二是特殊的變形機(jī)制。微觀分析發(fā)現(xiàn)，材料變形時(shí)會(huì)形成高密度位錯(cuò)墻和位錯(cuò)鎖結(jié)構(gòu)，這些微觀特征能有效阻止位錯(cuò)移動(dòng)，從而增強(qiáng)材料強(qiáng)度。更重要的是，層間界面處并未出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，斷裂始終發(fā)生在晶粒內(nèi)部，證明打印路徑形成的界面不會(huì)影響材料性能。正是這種獨(dú)特的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方式與完好的界面結(jié)合，共同造就了材料優(yōu)異的綜合性能。

3.3高溫力學(xué)性能
高溫力學(xué)性能測(cè)試揭示了近等軸Inconel 625合金優(yōu)異的高溫適應(yīng)性。研究顯示，在400-850℃的寬溫域范圍內(nèi)，該材料的強(qiáng)度性能始終優(yōu)于傳統(tǒng)鑄態(tài)合金。特別值得關(guān)注的是，其延伸率在700℃以下保持更高水平，僅在超過(guò)700℃后出現(xiàn)輕微下降。通過(guò)斷口形貌分析，研究觀察到明顯的溫度依賴性斷裂特征轉(zhuǎn)變：600℃時(shí)表現(xiàn)為典型的穿晶韌性斷裂，斷口呈現(xiàn)均勻分布的淺韌窩；750-800℃區(qū)間則轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐�斷裂模式，出現(xiàn)明顯的脆性斷裂特征；當(dāng)溫度升至850℃時(shí)，斷口形貌呈現(xiàn)韌窩與脆性面共存的混合斷裂特征。

結(jié)論

本研究揭示了打印路徑設(shè)計(jì)對(duì)Inconel 625合金組織性能的關(guān)鍵影響。采用高能量輸入配合90°層間旋轉(zhuǎn)的打印策略，成功將傳統(tǒng)柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻慕�等軸晶結(jié)構(gòu)。通過(guò)先進(jìn)的微觀分析技術(shù)，研究發(fā)現(xiàn)這種特殊結(jié)構(gòu)在變形時(shí)會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)模式：不僅會(huì)發(fā)生平面滑移，還會(huì)形成高密度位錯(cuò)墻和特殊的位錯(cuò)鎖結(jié)構(gòu)。這些微觀機(jī)制的協(xié)同作用，使材料同時(shí)具備優(yōu)異的強(qiáng)度和延展性。

值得關(guān)注的是，打印過(guò)程中形成的層間細(xì)晶區(qū)不僅沒(méi)有削弱性能，反而起到了增強(qiáng)作用。測(cè)試結(jié)果表明，這種優(yōu)化后的近等軸晶結(jié)構(gòu)在從室溫到高溫的廣泛溫度范圍內(nèi)都展現(xiàn)出卓越的力學(xué)性能。這一發(fā)現(xiàn)為航空航天等領(lǐng)域關(guān)鍵部件的高性能增材制造提供了新的工藝思路，顯示出廣闊的應(yīng)用前景。

論文鏈接：[1] https://doi.org/10.1080/21663831.2025.2476174