激光粉(激光粉床熔化成形，镍基合金将成为3D打印最新材料)

Posted 2023-06-01

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激光粉(激光粉床熔化成形，镍基合金将成为3D打印最新材料)

背景介绍

增材制造又称为3D打印，是近30年发展起来的一种先进制造技术。理论上，增材制造技术可以将任何CAD模型转化为物理实体，这极大地增加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【30】

对于金属来说，激光粉床熔化成形（L-PBF: laser powder bed fusion，也称为选区激光熔化成型SLM）主要利用高能量激光束逐层熔化预置的薄层金属粉末，在凝固和冷却后可形成高性能部件，是最有前景的增材制造技术之一。该项技术尤其适合于小批量、高精度、个性化、复杂结构零件的成形加工，在航空航天、生物医疗、汽车、磨具等领域具有广泛的应用前景。

Inconel 625 (IN625)是一种镍基高温合金，主要利用Ni-Cr基体中如钼(Mo)和铌(Nb)等元素的固溶强化作用来获得高温强度和抗蠕变性能，同时在不同环境中的耐蚀性和可焊性也较好。然而，IN625由于其高硬度、低导热系数和高加工硬化率，被认为是难加工或难以用减材制造的合金，在机械加工的过程中，机加工刀具的磨损很快，并且这种材料在铸造或锻造时较难控制其性能。因此很有必要探索Inconel 625镍基高温合金的直接3D打印成型，从而大量减少传统制造中所需的机加工，同时也可以极大的提高零件的设计自由度，增加内部复杂冷却流道等。

微观组织

总体特征&残余应力

和大多数L-PBF成形合金类似，as-built态的IN625合金主要由胞状枝晶和沿building方向伸长的柱状晶组成，晶粒均匀细小，具有明显的快速凝固特征。试样主要由单一的奥氏体相构成，由于激光工艺参数的影响，试样内存在夹杂、孔洞、裂纹、层间未熔合等缺陷，并且试样内高程度的残余应力只能通过后期的高温热处理才能得到明显消除。

图2 “As-built”态IN625合金的宏观形貌[55]

各向异性

L-PBF成形Ni基合金大都具有明显的各向异性，大部分晶粒沿着<100>方向生长，在熔池的边界分布有大量的细小晶粒，织构呈现典型的100<001>型立方织构。成形件晶粒生长方向与扫描策略密切相关，当采用十字交叉扫描方式，晶粒最快生长方向<100>垂直于成形基板；当采用单向扫描时，晶粒的生长方向与成形方向成60度夹角，这种现象主要由于激光点光源运动时，热流方向并不是完全与生长方向对称引起的。

图3 Ni基合金L-PBF态EBSD取向分布图[64]

采用均匀光斑时，熔池底部获得良好的外延生长，对流不足以破坏原有的生长特点，晶体依旧沿着最有利的<100>方向生长，并逐步向上延伸。经过EBSD分析，对于高斯光斑区，外延区单晶很少，大约只有0.5mm，而在均匀光斑区，单晶外延在中部可以达到4mm的高度。

图4 不同激光能量形式下成形件纵截面EBSD取向分布[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相组成，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，碳化物来不及生长，数量远少于Laves相。合金拉伸性能呈现出典型的各向异性特点，拉升强度沿着水平方向高于沿着竖直方向，层与层之间的边界处在SLM沉积过程中的性能弱区，容易发生组织粗化，强度较低；同时容易产生裂纹，裂纹沿着层层边界进行拓展，这是导致沿着竖直方向沉积LPBF-IN625试样力学性能较差的主要原因。

图5 L-PBF成形IN625的微观晶粒拓扑结构图[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合金零件主要缺陷及形成原因

力学性能

表2 不同文献中L-PBF成形IN625零件的力学性能

目前，航空航天行业对于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生产复杂高效IN625部件的极具吸引力的工艺。与L-PBF过程相关的变量有很多，如激光功率、扫描速度、扫描间距和层厚等，所有这些变量都需要进行适当的控制，以成功且可靠地形成最终可用的部件，否则将导致球化、变形、气孔、裂纹和低致密度等严重影响零件性能的缺陷。此外，“As-built”态的L-PBF成形的零件表面质量和尺寸精度通常不足以满足工业生产的要求，因此常常需要表面加工、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” 的综述文章，系统地总结了近年来有关L-PBF成形IN625合金的组织、力学性能、残余应力演变及缺陷形成机理等方面的研究，从消除或缓解构件中的残余应力，提高成形质量（改善表面粗糙度、致密度、微观组织和力学性能）等角度出发，介绍了一些有效的解决方案，如调整激光参数、基体预热、表面加工、添加增强相、进行后续热处理等，为提高IN625镍基合金L-PBF成形零件的综合性能提供了有益借鉴。最后，文章还指出了L-PBF成形IN625合金零件研究中仍然存在的问题及今后的研究方向。

总结与展望

L-PBF作为一种重要的增材制造技术，为复杂零部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，因此目前IN625的L-PBF工艺参数还不成熟。如试样中经常存在较大残余应力而导致裂纹产生。层间也经常出现孔洞、裂纹、夹杂等其它缺陷。

由于LPBF-IN625合金中存在织构，试样的性能各向异性经常出现，但有时成形面之间的性能差异并不理想。此外，非平衡凝固导致基体金属中合金元素的固溶极限显著提高，使得L-PBF零件的性能不同于传统的块体材料。迄今为止，对IN625的L-PBF的研究主要集中在显微硬度和拉伸性能方面，而对其它重要性能如高温拉伸强度、耐腐蚀性和蠕变性能的研究较少。因此，今后的研究应着重于以下几个方面：

（1）对IN625合金铸态和后处理后的宏观缺陷和微观组织进行表征，深入探讨宏观缺陷（气孔、微裂纹、球化、未熔化区）的形成机制和微观组织的演化机制（晶界、第二相、位错、亚晶界、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）的各向异性和特性，阐明其形成原因，特别是“As-built”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-IN625合金组织演变和残余应力分布的模型，即建立LPBF参数、组织、残余应力和力学性能之间的关系。

Key words: Selective laser melting; Ni based alloy; Laser powder bed fusion; Inconel 625; Heat treatment; Mechanical properties

（选区激光熔化成形、镍基合金、激光粉床熔化成形、金属3D打印、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)