增材制造Inconel超级合金在加工过程中的微观结构各向异性的力学机制

激光粉末床融合（LPBF）制造的Inconel 718合金加工异性源于其各向异性显微结构，通过微观压痕、切削实验及分子动力学模拟揭示：沿熔融层沉积方向加载时，柱状晶形态导致剪切带持续扩展和塑性累积，切削力显著高于垂直方向。后者因晶界阻碍位错运动和晶格弯曲而抑制变形。该研究建立了LPBF合金显微结构-力学响应-加工机制的跨尺度关联，为增材制造- subtractive混合加工优化提供理论支撑。

　　

詹家明|王涛|郭云发|白玉超|闫琦|徐桂银|徐龙|王浩|黄汉

中山大学先进制造学院，中国深圳518107

摘要

激光粉末床熔融（LPBF）技术能够制造出几何形状复杂的Inconel 718部件，但其固有的微观结构具有明显的各向异性，这会显著影响后续的加工性能。本研究通过结合微观压痕实验、微切削实验和分子动力学（MD）模拟，系统地研究了LPBF引起的微观结构各向异性对Inconel 718加工性能的影响。实验结果表明，变形抗力和切削力均存在明显的方向依赖性：与构建方向平行的表面表现出比垂直于该方向的表面更高的切削力。原子尺度模拟进一步表明，这种各向异性源于柱状晶粒形态、晶界（GB）密度以及剪切带传播之间的方向性相互作用。沿柱状晶粒方向的加载促进了剪切作用的局部化及塑性物质的积累，而垂直于柱状晶粒方向的加载则通过晶界阻塞和弯曲限制了位错的运动，从而导致不同的切屑形成机制。这些发现建立了LPBF制造的Inconel 718材料中微观结构各向异性与加工各向异性之间的力学联系，为基于材料取向的后处理和超合金部件的加工优化提供了力学依据。

引言

Inconel 718是一种高性能的Ni–Cr–Fe奥氏体超合金，以其优异的热稳定性、抗氧化性和高温下的低热膨胀系数而闻名，同时在极端使用条件下仍保持高强度和硬度[[1], [2], [3]]。这些特性使其广泛应用于航空航天、汽车和海洋工程领域。然而，其高强度和硬度也导致了较差的加工性能，使用传统减材制造方法时会导致制造效率降低和生产成本增加[4,5]。为了解决传统制造的局限性，金属增材制造（AM）技术成为生产Inconel 718部件的理想选择[6,7]。AM技术通过分层沉积材料来实现复杂几何形状的制造，提供了传统机械加工难以实现的设计自由度[8,9]。在各种AM技术中，激光粉末床熔融（LPBF）技术充分利用了超合金的优异焊接性能，成为制造致密且功能完备的Inconel 718部件的有效方法[10]。在LPBF过程中，高能激光根据预定义的扫描路径选择性熔化粉末床中的区域，逐步实现材料的精确逐层堆积直至最终几何形状的形成。与传统减材工艺相比，LPBF具有更高的几何灵活性、更短的交货时间和更优的材料利用率[[11], [12], [13]]，因此被广泛用于复杂高性能Inconel 718部件的近净成形制造。

尽管AM技术能够生产出复杂的金属部件，但由于其固有的分层沉积机制，部件的最终表面质量通常不如传统减材制造（SM）所得到的产品，这会导致表面粗糙度和阶梯效应[[14], [15], [16]]。Tang等人和Fan等人[17,18]指出，AM过程中的分层沉积会导致残余应力和热变形，不仅造成尺寸偏差，还会显著改变材料的局部力学性能。这些问题不仅影响产品的精度和尺寸，还会显著影响其力学性能。为了克服这些局限性，近年来混合增材/减材制造（AM–SM）技术受到了越来越多的关注[11,19,20]。通过结合AM的设计灵活性和SM的精密加工能力，这种混合工艺能够生产出质量更优的部件。例如，可以通过切割[21,22]、铣削[23,24]、钻孔[25]和磨削[26,27]等后处理工艺去除AM过程中产生的粗糙表面层，从而改善表面质量并满足严格的功能要求。因此，研究AM制造材料的加工性能对于开发AM-SM混合技术至关重要。对于AM制造的Inconel 718而言，其固有的高强度和硬度使其成为难以加工的材料，降低了加工效率并增加了精密和超精密制造的成本。因此，详细研究AM制造的Inconel 718的加工性能对于控制、优化并最终提高AM-SM工艺的性能和可靠性至关重要。

与传统制造合金相比，AM制造的产品通常具有更复杂的微观结构。Ishimoto等人[28]报告称LPBF超合金沿构建方向可以形成类似单晶的纹理，而Sathe等人[29]观察到LPBF合金中存在的柱状和异质晶粒导致了明显的各向异性。这种复杂性源于AM过程中高能激光热源引起的局部快速凝固和重复的热循环，导致材料沉积不均匀[30,31]。此外，LPBF的固有非平衡性质使得微观结构受到熔池内瞬态物理和化学过程的控制。因此，LPBF制造的Inconel 718形成了多尺度和高度异质的微观结构。成品AM部件中柱状晶粒的丰富存在被认为是其力学性能各向异性的主要来源。例如，Motaman和Kibaroglu[32]证明，添加制造金属中明显的柱状形态和异质晶粒尺寸分布会显著影响宏观力学性能。同样，Xia等人[33]观察到与柱状晶粒相关的不规则晶粒形状和尺寸异质性在控制AM金属的各向异性响应中起着关键作用。这种由微观结构引起的力学各向异性会导致加工性能的变化，进而影响后处理部件的性能。在加工过程中，各向异性显著影响刚度和切削力，从而影响表面质量[34]。因此，理解LPBF引起的微观结构-晶体学特性与加工响应之间的关系对于减少切削力的变化和提高表面质量至关重要。

基于上述讨论，尽管AM制造合金的各向异性已被广泛报道，但大多数现有研究仍停留在现象学层面，对潜在机制的理解有限。特别是，目前尚不清楚AM引起的微观结构各向异性如何控制位错演化、塑性流动和剪切带的形成，以及这些微观过程如何共同决定加工性能。为填补这一知识空白，本研究通过实验和数值方法的结合，深入研究了LPBF制造的Inconel 718的加工性能，重点关注其各向异性特征。首先，通过实验测试评估了机械响应的方向依赖性，包括微观压痕和微切削实验，以量化不同方向上的材料性能变化。此外，还使用显微镜和其他材料表征技术来观察微观结构的形态和分布，帮助解释力学各向异性与微观结构特征之间的关系。基于观察到的微观结构特征，开发了一个包含结构各向异性的数值模型，用于模拟变形过程中的位错活动和材料流动，从而揭示了潜在的变形机制。该模拟通过分子动力学（MD）模拟实现，该方法非常适合再现原子尺度的变形过程和评估材料性能[[35], [36], [37]]。实验观察与MD模拟的结合有助于全面理解AM制造Inconel 718的力学性能。这种多方面的分析为优化AM工艺和提高Inconel 718的加工性能提供了理论和实践指导。

本文的其余部分结构如下：第2节详细介绍了实验程序，包括材料制备和表征技术以及MD模拟的计算方法。第3节展示了微观压痕和微切削测试中观察到的微观结构形态和各向异性力学响应结果。随后，第4节讨论了MD模拟揭示的原子尺度变形机制，为实验观察结果提供了物理解释和各向异性的起源。最后，第5节总结了本研究的主要结论和意义。

部分摘录

材料与方法

本节详细介绍了本研究采用的实验方法和计算框架。LPBF-Inconel 718样品的制备以及微压痕和超精密切削测试的配置分别在2.1节（样品制备）和2.2节（机械测试和加工实验）中进行了说明。用于微观结构分析和相鉴定的表征技术则在2.3节中描述。最后，

结果与讨论

本节详细分析和讨论了LPBF制造的Inconel 718合金的微观结构演变、力学响应和材料去除机制。研究首先对微观结构各向异性进行了全面表征（第3.1节）。随后，通过实验测试评估了机械响应，包括显微硬度、切削力和切屑形态，以确定取向依赖的加工性能（第3.2节）。

结论

本研究采用微观结构表征、微观压痕实验、微切削实验和分子动力学（MD）模拟相结合的方法，系统地研究了激光粉末床熔融（LPBF）制造的Inconel 718合金的加工各向异性。研究旨在阐明构建方向及其导致的微观结构异质性如何控制多个尺度上的力学响应、塑性流动和切屑形成。

作者贡献声明

詹家明：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，研究，资金获取，正式分析，概念构思。王涛：撰写 – 初稿，正式分析。郭云发：验证，研究。白玉超：方法论，资金获取，概念构思。闫琦：正式分析。徐桂银：正式分析。徐龙：正式分析。王浩：撰写 – 审稿与编辑，监督。黄汉：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取。