一種創(chuàng)新的綜合打印策略實現(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

西安交通大學盧秉恒院士團隊黃科教授課題組創(chuàng)新地設計了聯(lián)合擺動打印+ 層間冷卻+ 短時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部氣孔和裂紋，進而能顯著提升增材制造成形件的力學性能。相關的研究成果發(fā)表在材料領域頂級國際期刊《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℃時具有高強度、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℃時具有高溫強度和優(yōu)秀的耐腐蝕性能、易加工性，Inconel718合金可廣泛應用于各種高要求的場合。

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

Inconel 718高溫合金因其優(yōu)異的高溫強度、抵抗蠕變和疲勞性能等，目前已被廣泛應用于航空航天、核電化工等諸多的領域。基于電弧熔絲的增材制造技術快速制備或修復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，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雜的熱歷史和高的熱輸入使得程序過程合金的內部元素偏析較嚴重，低熔點共晶相富集，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，這些都會嚴重制約該技術的廣泛推廣和實際應用。關注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟，免費獲取海量增材資料，聚焦增材制造研究與工程應用！

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

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

圖6 SEM結果顯示擺動模式具有更低的Laves相體積分數(shù)和更少的長鏈Laves比例：（a）（c）平動工藝統(tǒng)計結果；（b）（d）擺動工藝統(tǒng)計結果

該研究團隊采用一種擺動打印模式可以有效地促進熔池的擴展，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。強制層間冷卻過程進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。關注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟，免費獲取海量增材資料，聚焦增材制造研究與工程應用！

圖8 經(jīng)（a，c）沉積態(tài)和（b，d）改性熱處理的WAAM-IN718的應力-應變曲線和統(tǒng)計結果

圖9 采用擺動+層間冷卻+短時熱處理方式獲得優(yōu)異的強度-塑性權衡（a）沉積態(tài)統(tǒng)計結果對比；（b）熱處理態(tài)統(tǒng)計結果對比

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度和極限抗拉強度能夠分別提高5.75%和9.25%，延伸率能夠顯著提高51.20%，從而獲得了優(yōu)異的強度-塑性權衡。這項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制