采用混合激光拋光技術改善激光定向能量沉積Inconel 718高溫合金的表面質量和表面組織

來源：中國機械工程學會增材制造技術（3D打印）分會供稿人：孫嘯宇、張航 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

中國科學院寧波材料技術與工程研究所Yufan Liu等人采用脈沖激光和連續(xù)波激光相結合的混合激光拋光技術，對激光定向能沉積(LDED)Inconel 718高溫合金部件表面進行激光拋光。原始樣品、單脈沖激光拋光(SPLP)和混合激光拋光(HLP)加工樣品的表面形貌如圖1所示。圖像顯示，原始樣品表面粗糙度15.75 μm，經過SPLP處理后，表面粗糙度降低至6.14 μm，經過 HLP處理能夠進一步將表面粗糙度降至0.23 μm，達到接近鏡面效果。

圖1 不同狀態(tài)下LDED Inconel 718樣品的表面分析。(a) SPLP與HLP拋光后表面宏觀圖像，(b) SPLP與HLP三維形貌比較，(c)原始表面SEM形貌，(d) SPLP表面SEM形貌，(e) HLP表面SEM形貌，(f)原始樣品表面三維形貌圖，(g) SPLP樣品三維形貌圖，(h) HLP樣品三維形貌圖

三種樣品表層的EBSD結果如圖2所示，激光處理后表層顯示出典型的層狀結構，包括重熔層和熱影響區(qū)（HAZ）。SPLP重熔層具有超細晶粒和外延生長特征，低角度晶界數量明顯增多。HLP重熔層中，主要由細柱狀晶粒組成，這些晶粒大多垂直于表面。SPLP和HLP處理均明顯降低了原始樣品中的晶粒尺寸。

圖2 不同狀態(tài)下LDED Inconel 718樣品的EBSD分析: (a)原始制備樣品，(b) SPLP處理樣品和(c) HLP處理樣品的EBSD晶體取向圖;(d)原始樣品、(e) SPLP處理樣品、(f) HLP處理樣品低角度晶界分布圖;(g)制備樣品和激光拋光樣品的平均晶粒尺寸

對三種樣品表層進行納米壓痕測試，發(fā)現(xiàn)SPLP處理降低了表面顯微硬度，這可能和快速凝固導致的非平衡組織形成有關，而HLP處理提高了表面顯微硬度，可能與重熔層中次生相的增加和晶粒細化有關。但是兩種處理方式均提高了表層的楊氏彈性模量。

圖3 脈沖激光和連續(xù)波激光拋光處理的led Inconel 718高溫合金的晶體生長和顯微組織演變示意圖

圖3顯示由于脈沖激光與連續(xù)激光能量大小和特性的不同，導致了組織生長與表面拋光效果的差異。脈沖激光熔池小且不穩(wěn)定，冷卻速度快，限制了元素的擴散和二次相的析出，并且瞬時凝固也使得原始表面波紋結構維持不變，影響了粗糙度。連續(xù)激光熔池尺寸大，凝固時間長，表層熔體有更長的時間進行流平，這使得他獲得了更低的表面粗糙度。

近來隨著現(xiàn)代制造業(yè)的迅速發(fā)展，對工件的表面質量提出了更高的要求。激光拋光作為一種新型拋光方式正越來越受到社會各界重視。本文的研究表明混合激光拋光在改善表面質量和提高機械性能方面有著積極作用，這對于航空航天等領域的高性能部件制造具有重要意義。

參考文獻：
Liu Y, Ouyang W, Wu H, et al. Improving surface quality and superficial microstructure of LDED Inconel 718 superalloy processed by hybrid laser polishing[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2022, 300.Improving surface quality and superficial microstructure of LDED Inconel 718 superalloy processed by hybrid laser polishing - ScienceDirect.