哈工大頂刊：高溫合金增減材復合制造中的顯微組織和殘余應力演變

來源：材料科學與工程

增材制造(AM)技術的出現(xiàn)不僅大幅提升了工件的生產(chǎn)效率，同時也極大的滿足了工業(yè)上對大規(guī)模個性化加工的需求，在全球范圍內(nèi)得到廣泛關注。然而，傳統(tǒng)AM技術由于加工精度過低導致工件表面具有較大的粗糙度，二次減材(SM)加工不可避免。近年來，增減材復合制造(ASHM)技術的快速發(fā)展則為復雜結構部件的一體化制備提供了一個新思路。作為基于AM技術的計算機數(shù)控機床的二次開發(fā)技術，ASHM技術集成了AM和SM工藝，可實現(xiàn)復雜零件在同一設備上的連續(xù)“沉積-銑削”加工。然而激光AM過程中產(chǎn)生的溫度梯度過大，將不可避免地導致工件內(nèi)部殘余應力增大，后續(xù)的SM加工使殘余應力的耦合進一步復雜化。此外，SM工藝會在工件表面產(chǎn)生嚴重的塑性變形，改變AM工件原有的微觀組織。不可預測的組織結構和殘余應力演變將顯著影響ASHM工件的服役性能。

基于上述背景，哈爾濱工業(yè)大學黃永江教授團隊選擇航空、航天工業(yè)中應用最為廣泛的Inconel718(IN718)鎳基高溫合金為模型材料，考慮到ASHM中常見的兩種SM情況，即冷卻后銑削(室溫銑削，MC)和AM后立即帶溫銑削(高溫銑削，MAM)，通過ASHM設備制備了基于激光定向能量沉積(LDED)的AM和ASHM制造的IN718樣品。通過實驗、有限元和分子動力學模擬，探究了IN718在ASHM全過程中(包括AM和后續(xù)SM)的微觀組織、殘余應力和銑削力的演變。此研究旨在為復雜金屬工件在交替循環(huán)熱力耦合條件下的組織、應力和形狀調(diào)控提供理論指導。相關論文以題為LDED-based additive-subtractive hybrid manufacturing of Inconel 718 superalloy: Evolution of microstructure and residual stress發(fā)表在增材制造領域頂級期刊《Virtual and Physical Prototyping》(2024,Vol.19,No.1,e2400329)。該文章第一作者為博士生劉昌煜，通訊作者為黃永江教授和寧志良副教授，共同作者有孫劍飛教授、博士生高小余、趙文杰、王楠、呂陽。

論文鏈接: https://doi.org/10.1080/17452759.2024.2400329

圖1 IN718合金的增減材復合制造：(a) 增減材一體設備；(b) IN718原料粉末的SEM圖像和XRD (插圖)；(c) LDED加工工藝；(d) AM樣品；(e) MC樣品；(f) MAM樣品。

三組樣品采用相同的AM工藝制成。AM成型后在MC和MAM樣品上表面進行銑削加工，它們的差異在于銑削時樣品內(nèi)部的溫度不同。

圖2 AM、MC和MAM的IN718合金樣品的EBSD圖譜：(a) 樣品截面的KAM圖；(b) 樣品截面的BC圖；(c) GND密度沿(a)中標記方向的分布。

EBSD結果表明，與MAM樣品相比，銑削導致的高應變、小角度晶界(LAGBs)以及高幾何必須位錯密度(ρGND)在MC樣品中的分布區(qū)域更深。

圖3 AM、MC和MAM的IN718合金樣品在距離表面不同距離處的透射電子顯微鏡(TEM)圖像：(a1)~(a3) AM樣品；(b1)~(b3) MC樣品；(c1)~(c3) MAM樣品；(a1, b1, c1) 距離表面25 μm處；(a2, b2, c2) 距離表面50 μm處；(a3, b3, c3) 距離表面75 μm處。

透射電子顯微鏡(TEM)觀察到銑削加工使樣品的近表面區(qū)域產(chǎn)生了梯度納米晶(GNG)結構。與MC樣品相比，MAM樣品的GNG結構分布的更深，相同位置下其位錯密度也更大。

圖4 AM、MC和MAM的IN718合金樣品的殘余應力分布：(a) 最表面納米壓痕的載荷-位移曲線；(b) 沿深度的殘余應力分布。

銑削加工為樣品的表面區(qū)域引入了殘余壓應力。與MC樣品相比，MAM樣品的最表層殘余壓應力值更大，但其壓應力的分布區(qū)域更淺。

圖5 銑削過程有限元模擬：(a) 有限元模擬模型及其網(wǎng)格劃分；(b) 室溫下的Mises應力和應變云圖；(c) 高溫下的Mises應力和應變云圖；(d) 分別從(b)和(c)的中心區(qū)域取截面，分別為中心沿銑削深度的Mises應力分布；(f)、(g)和(h) 不同銑削溫度下沿X、Y和Z軸的銑削力。

有限元仿真模擬結果與實際測試結果相符，高溫銑削樣品的應力分布和銑削力均小于室溫銑削樣品。

圖6 銑削過程的分子動力學模擬：(a) 模型；(b) 室溫和高溫銑削中的位錯和層錯；(c) 室溫和高溫銑削中的位錯總數(shù)、總長度和最大滑移深度；(d) 室溫和高溫銑削中的再結晶原子；(e) 室溫和高溫銑削中的再結晶原子數(shù)統(tǒng)計。

同TEM的結果相對應，分子動力學模擬結果表明，相比于高溫銑削，室溫銑削時位錯的總數(shù)、總長度和最大滑移距離都更大，動態(tài)再結晶更強烈，表明在室溫銑削下工件表面產(chǎn)生的塑性變形更劇烈。

圖7 MC和MAM的IN718合金樣品的塑性變形程度和位錯分布示意圖：(a) 塑性變形程度示意圖；(b) 密集位錯；(c) 位錯湮滅和重排。

總的來說，本工作探討了IN718合金在ASHM全過程中的顯微組織、殘余應力和銑削力的演變規(guī)律。SM過程使樣品表面產(chǎn)生了梯度塑性變形，導致GNG結構、LAGBs和殘余壓應力的生成。由于SM時存在較高的內(nèi)部溫度，熱軟化效應導致高溫SM樣品所承受的銑削力更低，且動態(tài)恢復導致了高溫SM樣品的GNG結構、LAGBs和殘余壓應力在深度方向的分布范圍更淺。因此，在常用的ASHM工藝中，AM后立即SM的方式在樣品表面產(chǎn)生的塑性變形程度較室溫SM更低，更低的銑削力以及更小的塑性變形延長了刀具的使用壽命，將在鎳基高溫合金等難加工材料的一體化加工制備方面展現(xiàn)出高精度、高效率等顯著優(yōu)勢。