南理工與新里斯本大學、英尼格瑪：路徑優(yōu)化提升電弧增材Inconel 625室溫與高溫性能

來源：增材工業(yè)

電弧增材制造技術（DED-Arc）作為一種新興的增材制造技術，因其高效率、低成本和大尺寸成形能力，在Inconel 625合金制造領域展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。然而，傳統(tǒng)DED-Arc工藝往往形成具有明顯<001>取向的柱狀晶組織，這種結構特征使得材料難以同時獲得理想的強度和延展性。

研究背景與意義
近期研究發(fā)現(xiàn)，提高線能量密度（LED）可有效改善Inconel 625合金性能，使柱狀晶轉變?yōu)榻�等軸晶，但打印路徑切換的具體作用機制尚不明確。同時，增材制造特有的層間界面特性會顯著影響材料力學性能，特別是在高溫下易導致界面應變集中和早期失效。因此，深入探究層間界面在不同溫度下的影響機制，對優(yōu)化工藝和提升材料性能具有重要價值。

基于上述研究背景，南京理工大學團隊與葡萄牙新里斯本大學、英尼格瑪聯(lián)合在Materials Research Letters上發(fā)表了最新研究成果"Enhanced mechanical properties and deformation mechanisms in DED Inconel 625 via printing path switching"，系統(tǒng)探討了打印路徑設計對材料組織性能的影響規(guī)律。

實驗方法
本研究采用冷金屬過渡（CMT）電弧增材制造技術，在70% Ar + 30% He混合氣體保護下制備Inconel 625合金樣品。為確保實驗結果的可靠性，研究團隊優(yōu)化了關鍵工藝參數(shù)：電流116A、送絲速度4.6m/min、線能量密度140J/mm，采用層間90°旋轉路徑策略制備直徑50 mm、長度100 mm的圓柱試樣。

為全面表征材料性能，研究采用多尺度分析方法：通過XRD、OM、SEM-EBSD和TEM系統(tǒng)分析微觀組織演變；利用顯微硬度測試和室溫/高溫（400-850℃）拉伸實驗評估力學性能。

結果與討論

3.1微觀結構特征

微觀結構分析揭示了打印路徑設計的顯著影響。與傳統(tǒng)0°路徑樣品相比，采用90°路徑切換制備的樣品展現(xiàn)出獨特的近等軸晶特征：平均晶粒長度為527±5 μm，寬度為172±7 μm（長寬比3.06），且在層界面處形成細晶區(qū)（37±2μm）。XRD分析顯示樣品為單相面心立方結構。

研究證實，高LED結合路徑切換能有效降低熔池溫度梯度，抑制柱狀晶外延生長，同時通過增加重熔深度和提供新形核位點促進等軸晶形成，從而優(yōu)化材料微觀結構。這一工藝組合為實現(xiàn)柱狀晶向等軸晶轉變提供了有效途徑。

3.2室溫力學性能
室溫力學性能測試表明，采用90°打印路徑制備的近等軸Inconel 625樣品展現(xiàn)出優(yōu)異的強度-塑性匹配，其屈服強度達401±12 MPa，抗拉強度724±5 MPa，延伸率57±5%。材料表現(xiàn)出典型的三階段加工硬化行為，特別是在8-25%應變區(qū)間表現(xiàn)出加工硬化能力提高，使其獲得高達41.3 GPa*%的強塑積，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)熱軋合金（32.1 GPa*%）。

微觀機制分析揭示，近等軸樣品晶粒較大（232±16 μm vs 熱軋樣品<130 μm），其卓越性能主要來自兩方面：一是位錯強化的關鍵作用，二是特殊的變形機制。微觀分析發(fā)現(xiàn)，材料變形時會形成高密度位錯墻和位錯鎖結構，這些微觀特征能有效阻止位錯移動，從而增強材料強度。更重要的是，層間界面處并未出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，斷裂始終發(fā)生在晶粒內部，證明打印路徑形成的界面不會影響材料性能。正是這種獨特的位錯運動方式與完好的界面結合，共同造就了材料優(yōu)異的綜合性能。

3.3高溫力學性能
高溫力學性能測試揭示了近等軸Inconel 625合金優(yōu)異的高溫適應性。研究顯示，在400-850℃的寬溫域范圍內，該材料的強度性能始終優(yōu)于傳統(tǒng)鑄態(tài)合金。特別值得關注的是，其延伸率在700℃以下保持更高水平，僅在超過700℃后出現(xiàn)輕微下降。通過斷口形貌分析，研究觀察到明顯的溫度依賴性斷裂特征轉變：600℃時表現(xiàn)為典型的穿晶韌性斷裂，斷口呈現(xiàn)均勻分布的淺韌窩；750-800℃區(qū)間則轉變?yōu)檠鼐�斷裂模式，出現(xiàn)明顯的脆性斷裂特征；當溫度升至850℃時，斷口形貌呈現(xiàn)韌窩與脆性面共存的混合斷裂特征。

結論

本研究揭示了打印路徑設計對Inconel 625合金組織性能的關鍵影響。采用高能量輸入配合90°層間旋轉的打印策略，成功將傳統(tǒng)柱狀晶轉變?yōu)榫鶆虻慕�等軸晶結構。通過先進的微觀分析技術，研究發(fā)現(xiàn)這種特殊結構在變形時會產(chǎn)生獨特的位錯運動模式：不僅會發(fā)生平面滑移，還會形成高密度位錯墻和特殊的位錯鎖結構。這些微觀機制的協(xié)同作用，使材料同時具備優(yōu)異的強度和延展性。

值得關注的是，打印過程中形成的層間細晶區(qū)不僅沒有削弱性能，反而起到了增強作用。測試結果表明，這種優(yōu)化后的近等軸晶結構在從室溫到高溫的廣泛溫度范圍內都展現(xiàn)出卓越的力學性能。這一發(fā)現(xiàn)為航空航天等領域關鍵部件的高性能增材制造提供了新的工藝思路，顯示出廣闊的應用前景。

論文鏈接：[1] https://doi.org/10.1080/21663831.2025.2476174