激光粉床熔化成型Inconel625镍基合金研究进展

背景介绍 增材制造又称3D印刷是近30年发展起来的先进制造技术。理论上，任何增材制造技术都可以使用CAD模型转化为物理实体，大大提高了复杂零件的几何设计自由度和制造能力。 图1 激光粉床熔化技术示意图300 对于金属，激光粉床熔化成型（L-PBF: laser powder bed fusion，也称为选区激光熔化成型SLM）预置薄层金属粉末主要采用高能激光束逐层熔化，凝固冷却后可形成高性能部件，是更有前途的添加剂制造技术之一。该技术特别适用于小批量、高精度、个性化、复杂结构部件的成型加工，在航空航天、生物医学、汽车、磨具等领域具有广阔的应

用前景。 Inconel 625 (IN625)是镍基高温合金的主要用途Ni-Cr基体中如钼(Mo)和铌(Nb)固溶强化等元素在不同环境下具有良好的耐腐蚀性和可焊性，具有高温强度和抗蠕变性。然而，IN由于其硬度高、导热系数低、加工硬化率高，被认为是一种难以加工或减少材料的合金。在加工过程中，加工工具磨损迅速，铸造或锻造时难以控制其性能。因此，有必要进行探索Inconel 625镍基高温合金直接3D印刷成型可以大大降低传统制造所需的加工，大大提高零件的设计自由度，增加复杂的内部冷却流道。 微观组织 总体特征&残余应力 和大多数L-PBF成型合金相似，as-built态的IN625合金主要由细胞枝晶和沿线组成building方向伸长的柱状晶体，晶粒均匀细小，具有明显的快速凝固特性。样品主要由单个奥氏体相组成。由于激光工艺参数的影响，样品中存在夹杂、孔洞、裂纹、层间未熔化等缺陷，样品中的高残余应力只能通过后期高温热处理明显消除。 图2 “As-built”态IN625合金宏观形态[55] 各向异性 L-PBF成形Ni大多数基

金都有明显的各向异性，大多数晶粒沿着<100>方向生长，熔池边界分布大量小晶粒，编织典型{100}<001>立方形结构。晶粒的生长方向与扫描策略密切相关。<100>垂直于成形基板；单向扫描时，晶粒的生长方向和成形方向形成60度夹角，主要是激光点光源运动时热流方向与生长方向不完全对称造成的。 图3 Ni基合金L-PBF态EBSD方向分布图[64] 当光斑均匀时，熔池底部延伸生长良好，对流不足以破坏原有的生长特性，晶体仍沿着更有利的<100>方向生长，并逐渐向上延伸。经过EBSD对于高斯光斑区，外延区单晶很少，约0.5mm，单晶延伸在均匀光斑区域中间可达4mm的高度。 图4 形成不同激光能量形式的纵截面EBSD方向分布[64] 析出相 XRD结果表明L-PBF成形的IN625合金由γ基体和脆性Laves合金凝固方程为L→L γ→L γ NbC Laves→γ NbC Laves，很容易形成Laves相和NbC相。由于冷却时间短，碳化物没有生长时间，数量远少于Laves相。合金拉伸性能呈现出典型的各向异性特征，沿水平方向拉伸强度高于垂直方向，层与层之间的边界SLM沉积过程中性能弱区容易组织粗化，强度低；同时容易产生裂纹，沿着层层边界扩展，导致垂直沉积LPBF-IN625试样力学性能差的主要原因。 图5 L-PBF成形IN625微晶拓扑结构图[55]（a）Y-Z截面（b）X-Y截面（c）（100）（d）参考坐标系 成形缺陷 表1 L-PBF成形IN625合金零件的主要缺陷及原因 力学性能 表2 不同文献中L-PBF成形IN625部件的力学性能 目前，极端温度和环境下部件的性能和效率要求不断提高，激光粉床熔化已成为复杂高效的生产IN625部件极具吸引力的工艺。与L-PBF激光功率、扫描速度、扫描间距和层厚等相关变量较多。与L-PBF激光功率、扫描速度、扫描间距和层厚等相关变量较多。所有这些变量都需要适当的控制，以成功和可靠地形成更终可用的部件，否则会严重影响球化、变形、气孔、裂纹和低密度。此外，“As-built”态的L-PBF成型零件的表面质量和尺寸精度通常不足以满足工业生产的要求，因此经常需要表面加工、热处理等后处理过程。 近日，《Applied Sciences》上发表的题为A Review on Laser Powder Bed Fusion of Inconel 625 Nickel-Based Alloy” 综述文章，系统总结了近年来的相关情况L-PBF成形IN625合金组织、机械性能、残余应力演变和缺陷形成机制介绍了激光参数调整、基体预热、表面加工、增强相、后续热处理等有效解决方案，从消除或缓解部件中的残余应力、提高成形质量（提高表面粗糙度、致密度、微组织和机械性能），为提高IN625镍基合金L-PBF成型零件的综合性能提供了有益的参考。更后，文章还指出L-PBF成形IN625合金零件研究中仍存在的问题及未来的研究方向。更后，文章还指出L-PBF成形IN625合金零件研究中仍存在的问题和未来的研究方向。更后，文章还指出L-PBF成形IN625合金零件研究中仍存在的问题及未来的研究方向。 总结与展望 L-PBF作为一种重要的增材制造技术，为复杂零件的生产提供了巨大的潜力。目前对L-PBF成形IN625合金的研究主要集中在通过改变工艺参数和随后的热处理来调节其组织和性能。由于LPBF工艺涉及冶金、物理、化学、热耦合等复杂问题，工艺参数之间的匹配关系非常复杂IN625的L-PBF工艺参数不成熟。若样品中经常有较大的残余应力，则会导致裂纹。层间常出现孔洞、裂缝、夹杂等缺陷。 由于LPBF-IN编织存在于625合金中，样品的性能经常出现在各向异性中，但有时成形表面之间的性能差异并不理想。此外，非平衡凝固显著提高了基体金属中合金元素的固溶极限L-PBF零件的性能不同于传统的块体材料。到目前为止，是的IN625的L-PBF研究主要集中在显微硬度和拉伸性能上，但对高温拉伸强度、耐腐蚀性和蠕变性能的研究较少。因此，今后的研究应重点关注以下几个方面： （1） 对IN625合金铸造和后处理的宏观缺陷和微组织深入探讨了宏观缺陷（气孔、微裂纹、球化、未熔化区）的形成机制和微组织的进化机制（晶体边界、第二相、位错、亚晶边界、层错等）。 （2） 研究LPBF-IN625合金的高温和低温性能（强度、疲劳、蠕变、腐蚀等），特别是As-built在状态和后处理状态下，宏观各向异性和微观各向异性对上述性能的影响。 （3） 建立预测LPBF-IN建立了625合金组织演变和残余应力分布模型LPBF参数、组织、残余应力与机械性能的关系。 Key words: Selective laser melting; Ni based alloy; Laser powder bed fusion; Inconel 625; Heat treatment; Mechanical properties (金属3D印刷、金属增材制造) 文章链接：A Review on Laser Powder Bed Fusion of Inconel 625 Nickel-Based Alloy ( https://doi.org/10.3390/APP10010081)