定向能量沉积增材修复Inconel 718合金熔合区的微观结构演变和析出相特征

来源：增材制造硕博联盟

东北大学机械工程与自动化学院兰亮云副教授（特聘研究员）团队与中国科学院金属研究所合作在国际顶刊《Materials Characterization》（中科院一区Top）发表最新研究成果 “Mirostructural evolution and precipitated phase characteristics in the fusion zone for the as-repaired Inconel 718 alloy by directed energy deposition additive manufacturing“，采用五种激光功率，通过定向能量沉积增材制造技术修复Inconel 718合金，在不同的凝固条件下，研究了修复后的Inconel 718试样的熔合区(fusion zone, FZ)的微观结构演变和析出相特征。兰亮云副教授为通讯作者。

研究结果表明，随着激光功率的增加，FZ中的主要枝晶形貌从等轴枝晶转变为柱状枝晶，同时伴随着大量Laves相从长链状到块状的形态演变。然而，Laves相的这些形态变化不仅与凝固结构特征有关，而且还受到逐层沉积引起的重复垂直热循环的影响，因为多次热循环可以被视为对FZ进行温和的热处理微观结构。一方面，随着激光功率的增加，热积累效应逐渐增强，有利于Laves相部分溶解；另一方面，富Nb区析出大量γ''相、γ'相和δ相。当激光功率为1400W时，5个修复样品中Laves+δ相的体积分数最高，而γ'+γ''相的体积分数最低，导致显微硬度最低。

研究亮点

1）随着激光功率的增加，FZ中的主要枝晶形貌从等轴枝晶转变为柱状枝晶；

2）Laves相的形态受到凝固结构和重复垂直热循环的影响；

3）大量聚集在富Nb区的γ''、γ'和δ相有助于Nb元素偏析和热历史；

4）在1400W时，Vol(γ’+γ”)最低，Vol(Laves+δ)最高，显微硬度最低。

图1. (a)用于焊接的部分熔池示意图，(b)形貌因素对凝固模式的影响，(c∼g)底部典型微观组织特征 在不同激光功率下修复 Inconel 718 样品：(c) 800 W、(d) 1000 W、(e) 1200 W、(f) 1400 W、(g) 1600 W

图2 不同激光功率下FZ的凝固组织形貌和析出相特征：（a）800 W，（b）1000 W，（c）1200 W，（d）1400 W，（e）1600 W，（ f) 典型拉夫斯相的化学成分

图3 多次热循环下长链Laves相溶解和δ相析出机理示意图

关键结论

在该研究中，在五种不同的凝固条件下详细研究了DED修复后的Inconel718样品FZ的微观结构演变和沉淀相特征。以下是主要发现的简要总结：

(1) 随着激光功率的增加，FZ中的主要枝晶形貌从等轴枝晶转变为柱状枝晶，这主要归因于形貌因子逐渐增加。

(2) FZ中Laves相的形貌受到凝固结构和多次热循环的影响。低激光功率下形成的长链Laves相主要归因于大量的等轴枝晶，而高激光功率下形成的块状Laves相可能是由于Laves相在激光作用下部分溶解所致。FZ的重复垂直热循环。

(3) 逐层沉积引发的多次热循环被视为对FZ微观结构进行温和时效处理过程。富Nb区析出大量δ相、γ'相和γ''相。当激光功率为1400W时，修复后的5个样品中Vol（Laves+δ）最高，这可能归因于适合δ相快速析出的温度场分布。然而，γ'和γ''相的体积分数在1400W时最低，导致显微硬度最小（~356HV）。

论文引用

Zhang Y, Lan L, Shi Q. Microstructural evolution and precipitated phase characteristics in the fusion zone for the as-repaired Inconel 718 alloy by directed energy deposition additive manufacturing[J]. Materials Characterization, 2023: 113222.
https://doi.org/10.1016/j.matchar.2023.113222