摘要：激光粉末床熔化（LPBF）作为一种先进的增材制造技术，在航空航天等领域具有重要应用。不过，LPBF 的制造效率相对传统工艺较低，限制了其大规模推广。多激光扫描策略为提升制造效率提供了可能，但其对材料微观结构和力学性能的影响尚不明确。针对这一问题，英国诺丁汉大学

Inconel 718 是一种广泛应用于高温环境的镍基合金，因其优异的高温强度、抗腐蚀和抗蠕变性能而备受关注。在航空航天领域，如涡轮盘和叶片等部件常处于高温和高应力工况，对材料的蠕变性能要求极高。LPBF 技术能够制造复杂几何结构，为部件设计提供了更大自由度，但其制造时间相对较长。多激光扫描策略通过多激光协同工作，可显著缩短制造时间。然而，当前对于多激光扫描对材料微观结构及蠕变性能的影响研究较少，这使得相关工艺在实际应用中面临不确定性。

图1 条带扫描策略示意图

图2 用于显微镜分析的样品切片示意图

研究团队采用单激光和多激光两种扫描策略制造 Inconel 718 合金样品，制造设备为雷尼绍 RenAM 500Q 四激光设备。实验中，样品按 0°、45° 和 90° 三种不同构建方向制造，以评估构建方向对性能的影响。制造过程遵循以下参数：激光功率 212.5 W，扫描策略为条带扫描，曝光时间 20 μs，条带偏移量根据构建方向调整，搭接间距 17 μm，层间距 0.09 mm。制造完成后，所有样品在构建板上进行热处理，具体工艺为 980℃/1h 气淬，720℃/8h 炉冷至 620℃/8h 气淬，以确保与 wrought 合金性能对比的一致性。随后，通过线切割和机械加工将样品加工至标准尺寸，并进行表面处理以提高表面光洁度。蠕变测试在恒定载荷蠕变试验机上进行，测试条件为 650℃、600 MPa，每种情况重复三次以确保数据可靠性。微观结构分析借助扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）系统和光学显微镜等设备，对断裂表面、微观结构和晶粒尺寸等进行详细表征。

图3 样品微观结构

图4 不同LPBF样品的蠕变曲线

图5 与锻造样品的比较

图6 不同样品的热损失和晶粒生长示意图

结果表明，无论是单激光还是多激光制造的样品，其微观结构均表现出与构建方向一致的拉长晶粒特征，且可见气孔和 δ、Laves 等析出相。不同构建方向的样品晶粒尺寸存在差异，45° 单激光样品晶粒最大，wrought 合金晶粒最小。多激光策略对晶粒尺寸有一定影响，90° 和 0° 多激光样品晶粒尺寸大于单激光样品，而 45° 多激光样品晶粒尺寸小于单激光样品。析出相密度方面，单激光样品中 90° 样品析出相密度最高，多激光样品中 0° 样品析出相密度最高。气孔率在所有样品中基本相当，最大差异仅 0.04%。90° 多激光样品蠕变寿命与 wrought 合金相当，仅相差 1%，且优于单激光样品。45° 和0° 方向样品的蠕变性能与激光策略关系不大，均在第三蠕变阶段开始后不久失效。多激光策略未显著影响蠕变寿命和速率，且在 90° 样品中展现出更优的蠕变性能。所有样品的断裂表面均呈现出与加载方向垂直的微孔洞形成特征，典型的蠕变断裂机制。不同构建方向的样品因晶粒取向差异导致不同的断裂模式。90° 样品断裂面可见扫描痕迹，呈现准解理断裂特征；0° 样品断裂面平行于构建方向，表现为较少的微孔洞和多个解理台阶；45° 样品断裂面与构建方向垂直，呈现混合断裂特征。

多激光扫描策略对 Inconel 718 合金 LPBF 零件的蠕变性能具有积极或中性影响。90° 多激光样品的蠕变性能与 wrought 合金相当，展现出多激光策略在高温应用中的潜力。研究还表明，通过优化激光数量、扫描策略和构建方向等参数，可进一步提升制造效率和零件性能。未来的研究可聚焦于更复杂的激光扫描模式和工艺参数优化，同时结合疲劳和蠕变的综合测试，以满足航空航天等领域的实际应用需求。

相关成果以“Multi-laser scan strategies for enhancing creep performance in LPBF” 为题发表于Additive Manufacturing 41 （2021） 101948，论文第一作者为Salomé Sanchez，通讯作者为C.J. Hyde。

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来自：多尺度力学

长三角G60激光联盟陈长军转载

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来源：江苏激光联盟