LDED中激光功率和层间温度控制的协同策略改善 In718 的组织和性能

摘要：College of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China

Author Info

Improvement of microstructure and mechanical properties of Inconel718 by the synergistic strategy of laser power and interlayer temperature control in laser directed energy deposition

College of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China

Available online 1 March 2025.

Abstract

Author Info

本文解决了Inconel718高温合金薄壁部件激光定向能量沉积（LDED）中的微观结构缺陷、柱状晶粒和元素偏析等常见问题。提出了一种新的LDED工艺协同控制策略。该策略涉及逐层降低输入激光功率，并通过强制风冷强制降低层间温度，旨在改善Inconel718高温合金薄壁部件的微观组织和力学性能。

研究结果表明，与传统的LDED工艺相比，采用新颖协同控制策略的LDED工艺增强了每个沉积层熔池的稳定性，保持了每个沉积层的恒定宽度，显著降低了孔隙率，提高了部件的材料密度。在协同策略下，Inconel718薄壁部件中形成了离散的细Laves相，以及无序生长的细柱状晶粒和等轴晶粒的混合结构。这些微观结构的改进导致部件的显微硬度、拉伸强度、屈服强度和伸长率分别提高了9.30%、41.12%、26.05%和40%。进一步分析部件中孔隙率、晶粒形态和Laves相分布，揭示了本文提出的新协同策略的强化机制。拉伸性能改善的原因包括HAGB（高角晶界）强化、LABG（低角晶界）强化、位错强化、孔隙愈合、离散细Laves相的形成以及极化密度的降低。本研究为高性能Inconel718高温合金薄壁部件的LDED提供了一种有效的技术途径。

Introduction

Inconel718高温合金具有出色的高温机械性能，并且耐腐蚀和抗氧化。这些特性使其广泛用于制造薄壁高温部件，例如航空发动机和工业燃气轮机的涡轮叶片。激光定向能量沉积（LDED）技术具有良好的适应性，特别适用于制造或再制造Inconel718合金涡轮叶片等薄壁部件。然而，在Inconel718组件的LDED过程中，由于钼（Mo）和铌（Nb）元素的严重偏析，不可避免地会形成有害的长链Laves相（（Ni、Cr、Ti）2（Nb、Mo、Ti））。此外，这种元素偏析和Laves相的形成会降低Inconel718合金部件的机械性能，并增加使用过程中失效的风险。因此，在Inconel718高温合金的LDED过程中有效调节和减少Mo和Nb元素的偏析以及长链Laves相的形成至关重要。解决这个问题将提高组件在极端使用条件下的应用性能。

本研究创新性地提出了一种激光定向能量沉积方法，该方法采用逐层线性降低输入激光功率并通过空气冷却强制降低层间温度的协同策略，用于制备Inconel718高温合金薄壁部件。该研究还深入探讨了“工艺-微观结构-性能”之间的关系。这种策略通过调节热循环，不仅有效减少了长链Laves相的形成，而且促进了离散细Laves相的产生，同时形成了无序生长的细柱状晶粒和等轴晶粒的混合微观结构。通过分析部件的几何特性、孔隙率分布、显微硬度、拉伸性能和强化机制，以及应变硬化能力，本文揭示了枝晶形态与Laves相的大小和分布之间的相互关联机制，以及它们对部件机械性能的影响。本文的研究结果为镍基高温合金高性能薄壁部件的LDED提供了新的工艺思路，对于提高激光定向能量沉积工艺的可靠性具有重要意义。

Materials and methods

实验中使用的激光定向能量沉积系统主要由机器人、半导体激光器、激光加工头、稳压电源、冷水机、控制柜、送粉机和氩气输送设备组成，如图2所示。激光器的最大输出功率为6000 W，波长范围为900 nm至 1080 nm。激光束通过两根直径分别为600 μm和1000 μm的光纤从激光器传输到激光加工头。激光头的送粉形式是从喷嘴出口处的四个通道送粉。保护气体和载粉气体都是纯度为99.99% 的氩气。

Fig. 2. Laser directed energy deposition system.

设计了一种Inconel718合金薄壁部件的激光定向能量沉积方案，该方案采用逐层降低输入激光功率并通过空气冷却强制降低层间温度的协同方法，称为SLI-LDED，如图3所示。该方案可以协调热积累、横向散热、应变速率和冷却速率的控制，以优化沉积过程，从而提高部件的机械性能。为了验证新的协同控制策略下激光定向能量沉积工艺的优越性，使用普通条件激光定向能量沉积（NC-LDED）方案制备了另一种Inconel718合金薄壁部件，其中所有沉积层的输入激光功率保持不变，并且一层沉积后没有层间温度控制，立即进行下一层的沉积。该计划是通过比较分析来评估SLI-LDED和NC-LDED组件之间微观结构和机械性能的差异。

Fig. 3. (a) Schematic diagram of the SLI-LDED process, (b) diagram of the stepwise reduction of input laser power per layer, (c) interlayer crisscross reciprocating scanning strategy.

Results

图5（a）-（b）显示了NC-LDED试样和SLI-LDED试样在 Y-Z 横截面上的几何形态特征，以探讨激光定向能量沉积工艺的两种方案对薄壁构件的高度（Z方向）和宽度（Y方向）的影响。从图中可以明显看出，两种工艺方案生产的薄壁试样的外观和尺寸存在显著差异，特别是在Y 方向侧壁的表面精度方面。NC-LDED试样的侧壁轮廓波动很大，表现出向两侧塌陷的趋势;相比之下，SLI-LDED 试样的侧壁基本没有波动，垂直于衬底，并且随着沉积高度的增加，其层宽基本保持稳定。

Fig. 5. The geometric morphology of the Inconel718 thin-walled components on the YZ cross-section: (a) NC-LDED component, (b) SLI-LDED component; Melt pool morphology and formation mechanism: (c) NC-LDED specimen, (d) SLI-LDED specimen; Morphology of the component on the YZ cross-section: (e) NC-LDED specimen, (f) SLI-LDED specimen.

图8（a）和（b）说明了两个典型 Laves 相的形态。一个是在NC-LDED样品和SLI-LDED样品中形成的长链Laves相，另一个是仅在SLI-LDED样品中形成的离散和精细的Laves相。发现长链Laves相中钼（Mo）和铌（Nb）的含量明显高于离散和精细Laves相中的含量。这是因为低冷却速率为Mo和Nb等元素扩散到枝晶之间的残余液相中提供了充足的时间。富集的原子团簇增加了Laves相的成核位点，同时元素偏析增加了晶界处的结构过冷，降低了晶界的凝固温度，增加了应力集中的程度，使其更容易产生裂纹和气孔等缺陷。

Fig. 8. Typical SEM images of Laves phases and their EDS scanning images: (a) long-chain Laves phases, (b) discrete and fine Laves phases, (c) EDS surface scan image of long-chain Laves phases, (d) EDS surface scan image of discrete and fine Laves phases.

图9说明了NC-LDED样品和SLI-LDED样品底部（第10层）、中间（第25层）和顶部（第40层）Laves 相的形态和分布特征。在NC-LDED 样品中，由于连续沉积导致热积累增加和冷却速率降低，液相中Nb和Mo的富集在树枝间区域形成长链Laves相，分布在整个沉积区域。同样，在SLI-LDED样品的底部观察到长链Laves相。然而，随着激光功率逐层降低并且层间温度得到控制，熔池中高温的持续时间缩短，温度梯度增加，从而促进在组件的中部和顶部形成离散和精细的Laves相。

Fig. 9. The morphology and distribution of Laves phases: (a) bottom, (b) middle, (c) top of the NC-LDED specimen; (d) bottom, (e) middle, (f) top of the SLI-LDED specimen.

图10说明了枝晶形态与Laves相形式之间的关系。在NC-LDED样品的常规连续沉积中，长链Laves相通常沿一定方向在粗柱状晶粒之间生长，并伴有孔隙等缺陷。相比之下，在使用协同控制策略工艺沉积的SLI-LDED样品中，细枝晶和等轴晶粒的无序生长有助于形成离散和细小的Laves 相。

Fig. 10. Relationship diagram between dendritic morphology and Laves phase morphology.

使用EBSD观察到的NC-LDED试样和SLI-LDED试样的晶粒取向如图11所示。NC-LDED试样主要由外延粗枝晶组成，其凝固过程中的生长方向主要由平行于高度方向（Z轴）的热流方向决定。相比之下，SLI-LDED 试件主要表现为等轴晶粒和细长柱状晶粒的混合结构，层间边界清晰，其中等轴晶粒更容易出现在层间边界处。

Fig. 11. EBSD grain orientation map and area weighted fraction map of deposition specimens: (a)-(b) NC-LDED specimen, (c)-(d) SLI-LDED specimen.

图16（a）显示了在室温（25 °C）下使用两种不同工艺制造的Inconel718合金拉伸试样的工程应力-应变曲线，显示了部件拉伸性能的显著差异，这证实了不同工艺下试样的微观结构对拉伸性能有显着影响。试样的拉伸机械性能如图16（b）所示，从中可以看出，与NC-LDED试样相比，SLI-LDED试样的拉伸强度、屈服强度和伸长率分别提高了41.12 %、26.05 %和40 %。

Fig. 16. (a) Engineering stress–strain curve of Inconel718 superalloy, (b) comparison chart of tensile properties, (c) comparison of mechanical properties between this study and other literature.

图18说明了NC-LDED试样和SLI-LDED试样中孔隙缺陷、晶界和位错的分布，揭示了SLI-LDED工艺改善拉伸性能的机制。首先，在NC-LDED试样中，孔隙的团聚特性加剧了拉伸载荷下孔隙缺陷周围的应力集中，从而降低了拉伸性能。相比之下，SLI-LDED过程中的塑性变形不仅减少了试样的内部孔隙分布，还减轻了尚未闭合的孔隙附近的应力集中。孔隙缺陷的闭合区域扩大了SLI-LDED试样的实际承载面积，并抑制了在拉伸载荷下孔隙缺陷可能引起的其他缺陷。其次，SLI-LDED工艺促进了从粗柱状晶粒过渡到等轴晶粒和细柱状晶粒的混合结构（图11），产生了大量的LAGB（图11）。晶粒细化增加了位错的随机滑移面的数量，为滑移的开始提供了有利条件。最后，细小的枝晶和较小的晶界间距可以阻碍位错运动，这有利于提高材料的伸长率。