激光增材制造 316L 及 IN718 的原位合金化及其微觀組織與力學(xué)性能研究

一、研究背景與意義

自 21 世紀(jì)以來，我國(guó)航空、航天及汽車等關(guān)鍵領(lǐng)域飛速發(fā)展，對(duì)構(gòu)件制造水平提出更高要求。傳統(tǒng)加工技術(shù)難以滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)件需求，增材制造（AM）技術(shù)憑借逐層累積、可制造復(fù)雜形狀、研發(fā)周期短等特點(diǎn)，成為制造業(yè)革新核心動(dòng)力。

金屬增材制造按熱源分激光增材制造（LAM）、電子束增材制造（EBAM）、電弧增材制造（WAAM），其中激光增材制造因成本低、適應(yīng)范圍廣，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。當(dāng)前激光增材制造金屬材料研究集中于不銹鋼、鎳基高溫合金等商用合金，但這些材料難滿足復(fù)雜應(yīng)用需求，且非專為增材制造設(shè)計(jì)，工藝適應(yīng)性存挑戰(zhàn)，故開發(fā)適用于增材制造的新型合金至關(guān)重要。

316L 不銹鋼耐腐蝕性、抗氧化性優(yōu)異，在環(huán)境表現(xiàn)突出，廣泛用于航空、航天等領(lǐng)域，且加工焊接性能好，是增材制造常用材料；IN718 合金作為鎳基高溫合金，高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能佳，在 650℃以下表現(xiàn)顯著，多用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫構(gòu)件制造。二者含相同主要元素（Fe、Cr、Ni），為原位合成合金提供基礎(chǔ)，本研究采用激光粉末床熔融技術(shù)制備新型 Fe-Cr-Ni 合金，分析其微觀組織與力學(xué)性能，為相關(guān)合金設(shè)計(jì)開發(fā)提供參考。

二、實(shí)驗(yàn)材料與方法

室溫力學(xué)性能測(cè)試及微觀組織觀察

室溫拉伸測(cè)試：用 Instron 5967 電子萬能試驗(yàn)機(jī)，非接觸式視頻引伸計(jì)實(shí)時(shí)應(yīng)變監(jiān)測(cè)，試樣尺寸及取樣方式特定。試驗(yàn)前用 SiC 水砂紙將試樣表面打磨至 2000#，消除線切割痕跡影響，拉伸應(yīng)變速率 0.001s?1，共測(cè) 3 次確保重復(fù)性。

微觀組織觀察：觀察試樣取自拉伸試樣夾持段，用 G3 UC 型聚焦離子 / 雙束系統(tǒng)掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行微觀組織觀察和電子背散射衍射（EBSD）測(cè)試，工作電壓 20kV。觀察前試樣經(jīng)打磨（至 5000#）、機(jī)械拋光（SiO?懸浮拋光液）、腐蝕（H?O?:HCl=1:3 混合試劑，5s）、清洗吹干處理。

XRD 分析：采用 X'Pert PRO 型 X 射線衍射儀，旋轉(zhuǎn) Cu 靶，管壓 40kV，管流 20mA，掃描范圍 20°~90°，掃描速度 3 (°)/min，掃描步長(zhǎng) 0.02°。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

（一）微觀組織

XRD 分析：激光粉末床熔融增材制造的 Fe-Cr-Ni 合金 XRD 圖譜僅呈現(xiàn)奧氏體（γ 相）特征峰，表明打印態(tài)合金主要由奧氏體相構(gòu)成。這是因打印中快速凝固冷卻抑制 δ、γ″和 γ′強(qiáng)化相析出，且 316L 不銹鋼加入稀釋強(qiáng)化相形成元素，故未檢測(cè)到相關(guān)強(qiáng)化相衍射峰。

EBSD 分析：平行于打印方向（BD）的 EBSD 反極圖顯示，打印態(tài) Fe-Cr-Ni 合金晶粒以柱狀晶為主，呈跨越多個(gè)熔合層外延生長(zhǎng)特征，柱狀晶長(zhǎng) 200~500μm、寬 20~50μm。激光粉末床熔融中，已凝固金屬層經(jīng)新激光掃描局部重熔提供晶核，熔池內(nèi)溫度梯度使晶粒沿溫度梯度快速生長(zhǎng)，形成貫穿多融合層的柱狀晶。

SEM 分析：

低倍 SEM 照片顯示，打印態(tài) Fe-Cr-Ni 合金層間結(jié)合緊密，基體無明顯孔洞、未熔合、裂紋等缺陷，打印性能良好，這對(duì)制造高質(zhì)量高性能零件關(guān)鍵。

高倍 SEM 照片表明，基體呈胞狀生長(zhǎng)特征，與激光增材制造的 316L 不銹鋼、IN718 鎳基高溫合金一致，且胞狀生長(zhǎng)在多種激光增材制造合金中常見。

放大照片可見大量細(xì)小 Laves 相在枝晶間形成，與 Nb、Mo 在枝晶間富集有關(guān)；胞狀亞結(jié)構(gòu)內(nèi)部有大量均勻分布的細(xì)小沉淀相顆粒，可能為 MC 碳化物或氧化物顆粒，加載時(shí)可充當(dāng)位錯(cuò)移動(dòng)屏障提升材料強(qiáng)度。

胞狀亞結(jié)構(gòu)尺寸統(tǒng)計(jì)：Image J Pro 軟件統(tǒng)計(jì)（超 500 個(gè)）顯示，胞狀亞結(jié)構(gòu)尺寸符合高斯分布，平均直徑 0.681μm，近似反映一次枝晶間距，而一次枝晶間距與溫度梯度（G）、生長(zhǎng)速率（V）相關(guān)。

EDS 元素面掃描：Ni、Cr、Mn 元素在基體分布均勻，無明顯宏觀偏析，證實(shí) 316L 與 IN718 在激光粉末床熔融中實(shí)現(xiàn)充分元素混合，原位合金化效果好；Nb 和 Mo 存在偏析，主要在胞狀亞結(jié)構(gòu)胞壁富集。這是因 Nb 和 Mo 分配系數(shù)小于 1（固態(tài)溶解度低于液態(tài)，凝固中在液體富集），且激光增材制造高冷速（10?~10?K/s）限制元素充分?jǐn)U散，此偏析為枝晶間 Laves 相形成提供條件。

（二）力學(xué)性能

拉伸性能：激光粉末床熔融增材制造的 Fe-Cr-Ni 合金室溫拉伸應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線顯示，因合金致密度高且主要為面心立方（FCC）相，塑性較高，斷后伸長(zhǎng)率 22.9%±3.8%；合金中胞狀亞結(jié)構(gòu)、沉淀納米顆粒對(duì)強(qiáng)度貢獻(xiàn)顯著，抗拉強(qiáng)度（875±14）MPa，屈服強(qiáng)度（675±14）MPa，兼具優(yōu)異強(qiáng)度與良好塑性，適用于高強(qiáng)度高韌性需求場(chǎng)合。

斷口形貌：

低倍 SEM 照片顯示，斷裂面粗糙，有明顯頸縮特征，表明斷裂前發(fā)生顯著塑性變形。

高倍及放大 SEM 照片揭示，斷口存在大量直徑約 500nm 的微小韌窩，說明 Fe-Cr-Ni 合金斷裂方式為韌性斷裂。

四、結(jié)論

Fe-Cr-Ni 合金層間結(jié)合緊密，無明顯打印缺陷，Ni、Cr、Mn 等元素在基體分布均勻，證明激光粉末床熔融原位合金可行。

Fe-Cr-Ni 合金基體有大量胞狀亞結(jié)構(gòu)，平均尺寸 0.681μm，胞壁處富集 Nb、Mo 兩種元素。

Fe-Cr-Ni 合金室溫拉伸性能良好，抗拉強(qiáng)度（875±14）MPa，屈服強(qiáng)度（675±14）MPa，斷后伸長(zhǎng)率 22.9%±3.8%。