摘要：在核电、航空航天等极端服役环境中， Inconel 690 因优异的抗腐蚀与高温强度在加工工业应用中非常宝贵。然而，激光定向能量沉积（L-DED）过程中熔池快速凝固导致的晶粒粗大、晶界Cr偏析等问题，长期制约其在抗腐蚀与高温疲劳性能上的进一步提升。合肥工业大学

第一作者：彭开元

通讯作者：黄海鸿

通讯单位：合肥工业大学

在核电、航空航天等极端服役环境中， Inconel 690 因优异的抗腐蚀与高温强度在加工工业应用中非常宝贵。然而，激光定向能量沉积（L-DED）过程中熔池快速凝固导致的晶粒粗大、晶界Cr偏析等问题，长期制约其在抗腐蚀与高温疲劳性能上的进一步提升。合肥工业大学彭开元和黄海鸿团队在《International Journal of MechaNical Science》上发表最新研究，构建“实验-原子模拟” 闭环验证框架，揭示激光束直径如何影响晶粒形貌与Cr元素分布，为Inconel 690涂层的晶粒细化与抗腐蚀性能优化提供可量化工艺路径。

摘要附图

一、激光束直径对熔池原子行为的调控

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1 不同束径L-DED过程示意

熔覆环境的构建：研研究使用的合金粉末由Cr、Ni和Fe元素组成，气雾化Inconel690粉末，引入不同直径的激光束，借助原位红外热像仪捕捉真实熔池温度场，并嵌入大规模分子动力学（MD）模型。

MD模拟下的晶粒演化与Cr偏析：

大熔池：冷却速度为3.3K/ps；晶粒表现为粗大的柱状晶与等轴晶混合；晶界处Cr局部富集峰值达33.2 wt%，模拟显示该区域应力集中显著，可能诱发基体翘曲等缺陷。

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2 大型熔池L-DED过程下的MD模拟

中熔池：冷却速度为4.2K/ps；晶粒呈现为底部柱状晶，顶部等轴晶；Cr元素在晶界处仍呈现富集，但程度略低于大熔池；残余应力降低。

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3 中型熔池L-DED过程下的MD模拟

小熔池：冷却速度高达5.1K/ps；晶粒呈现为等轴晶；Cr元素仅轻量富集；残余应力显著降低，基体变形可忽略。

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4 小型熔池L-DED过程下的MD模拟

二、实验验证：EBSD+EDS验证模拟结果

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5 实验熔池EBSD取向图

晶粒演化：不同激光束直径的增加导致熔池宽度的增加；随着束径增大，平均晶粒尺寸由40.1 μm增至52.9 μm，晶形由等轴向混合/柱状过渡，与MD预测高度吻合。

图6 EDS分析

Cr偏析与聚集：证实了Cr聚集优先发生在晶界；同时，Cr映射突出了Cr聚集的区域，与模拟结果密切对应，证实了明显的Cr偏析趋势。

三、结构-工艺-性能的潜在应用

图7 变光束直径L-DED方法的潜在应用

区域化耐腐蚀性能调控：通过逐层调节激光束直径，在单一构件内构建晶粒尺寸/晶界Cr浓度梯度，实现组件内空间可编程的耐腐蚀性。

梯度硬度调控：激光束直径的连续变化能够创建渐变的微结构，从而逐渐调节沉积材料厚度的硬度和其他机械性能。

四、研究工作总结

本研究构建了“实验热场-原子模拟”闭环验证框架，揭示了激光束直径→冷却/温度梯度→晶粒形貌与元素偏析的完整原子级链条，为Inconel 690等高性能合金的激光增材制造提供了精准、可量化的工艺调控新路径。

原文链接：

参考资料：

Kaiyuan Peng, Yu Kong, Jiacheng Yang, Jiangtao Hu, Haihong Huang. Atomistic insights of inconel 690 L-DED process with varying beam diameters [J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2025, 301: 110486

来自：？激光制造前沿科学

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