激光增材製造 316L 及 IN718 的原位合金化及其微觀組織與力學性能研究

激光增材製造 316L 及 IN718 的原位合金化及其微觀組織與(yu) 力學性能研究

一、研究背景與(yu) 意義(yi)

自 21 世紀以來，我國航空、航天及汽車等關(guan) 鍵領域飛速發展，對構件製造水平提出更高要求。傳(chuan) 統加工技術難以滿足複雜結構件需求，增材製造（AM）技術憑借逐層累積、可製造複雜形狀、研發周期短等特點，成為(wei) 製造業(ye) 革新核心動力。

金屬增材製造按熱源分激光增材製造（LAM）、電子束增材製造（EBAM）、電弧增材製造（WAAM），其中激光增材製造因成本低、適應範圍廣，在工業(ye) 領域應用廣泛。當前激光增材製造金屬材料研究集中於(yu) 不鏽鋼、鎳基高溫合金等商用合金，但這些材料難滿足複雜應用需求，且非專(zhuan) 為(wei) 增材製造設計，工藝適應性存挑戰，故開發適用於(yu) 增材製造的新型合金至關(guan) 重要。

316L 不鏽鋼耐腐蝕性、抗氧化性優(you) 異，在環境表現突出，廣泛用於(yu) 航空、航天等領域，且加工焊接性能好，是增材製造常用材料；IN718 合金作為(wei) 鎳基高溫合金，高溫強度和抗蠕變性能佳，在 650℃以下表現顯著，多用於(yu) 航空發動機高溫構件製造。二者含相同主要元素（Fe、Cr、Ni），為(wei) 原位合成合金提供基礎，本研究采用激光粉末床熔融技術製備新型 Fe-Cr-Ni 合金，分析其微觀組織與(yu) 力學性能，為(wei) 相關(guan) 合金設計開發提供參考。

二、實驗材料與(yu) 方法

室溫力學性能測試及微觀組織觀察

室溫拉伸測試：用 Instron 5967 電子萬(wan) 能試驗機，非接觸式視頻引伸計實時應變監測，試樣尺寸及取樣方式特定。試驗前用 SiC 水砂紙將試樣表麵打磨至 2000#，消除線切割痕跡影響，拉伸應變速率 0.001s⁻¹，共測 3 次確保重複性。

微觀組織觀察：觀察試樣取自拉伸試樣夾持段，用 G3 UC 型聚焦離子 / 雙束係統掃描電子顯微鏡（SEM）進行微觀組織觀察和電子背散射衍射（EBSD）測試，工作電壓 20kV。觀察前試樣經打磨（至 5000#）、機械拋光（SiO₂懸浮拋光液）、腐蝕（H₂O₂:HCl=1:3 混合試劑，5s）、清洗吹幹處理。

XRD 分析：采用 X'Pert PRO 型 X 射線衍射儀(yi) ，旋轉 Cu 靶，管壓 40kV，管流 20mA，掃描範圍 20°~90°，掃描速度 3 (°)/min，掃描步長 0.02°。

三、實驗結果及討論

（一）微觀組織

XRD 分析：激光粉末床熔融增材製造的 Fe-Cr-Ni 合金 XRD 圖譜僅(jin) 呈現奧氏體(ti) （γ 相）特征峰，表明打印態合金主要由奧氏體(ti) 相構成。這是因打印中快速凝固冷卻抑製 δ、γ″和 γ′強化相析出，且 316L 不鏽鋼加入稀釋強化相形成元素，故未檢測到相關(guan) 強化相衍射峰。

EBSD 分析：平行於(yu) 打印方向（BD）的 EBSD 反極圖顯示，打印態 Fe-Cr-Ni 合金晶粒以柱狀晶為(wei) 主，呈跨越多個(ge) 熔合層外延生長特征，柱狀晶長 200~500μm、寬 20~50μm。激光粉末床熔融中，已凝固金屬層經新激光掃描局部重熔提供晶核，熔池內(nei) 溫度梯度使晶粒沿溫度梯度快速生長，形成貫穿多融合層的柱狀晶。

SEM 分析：

低倍 SEM 照片顯示，打印態 Fe-Cr-Ni 合金層間結合緊密，基體(ti) 無明顯孔洞、未熔合、裂紋等缺陷，打印性能良好，這對製造高質量高性能零件關(guan) 鍵。

高倍 SEM 照片表明，基體(ti) 呈胞狀生長特征，與(yu) 激光增材製造的 316L 不鏽鋼、IN718 鎳基高溫合金一致，且胞狀生長在多種激光增材製造合金中常見。

放大照片可見大量細小 Laves 相在枝晶間形成，與(yu) Nb、Mo 在枝晶間富集有關(guan) ；胞狀亞(ya) 結構內(nei) 部有大量均勻分布的細小沉澱相顆粒，可能為(wei) MC 碳化物或氧化物顆粒，加載時可充當位錯移動屏障提升材料強度。

胞狀亞(ya) 結構尺寸統計：Image J Pro 軟件統計（超 500 個(ge) ）顯示，胞狀亞(ya) 結構尺寸符合高斯分布，平均直徑 0.681μm，近似反映一次枝晶間距，而一次枝晶間距與(yu) 溫度梯度（G）、生長速率（V）相關(guan) 。

EDS 元素麵掃描：Ni、Cr、Mn 元素在基體(ti) 分布均勻，無明顯宏觀偏析，證實 316L 與(yu) IN718 在激光粉末床熔融中實現充分元素混合，原位合金化效果好；Nb 和 Mo 存在偏析，主要在胞狀亞(ya) 結構胞壁富集。這是因 Nb 和 Mo 分配係數小於(yu) 1（固態溶解度低於(yu) 液態，凝固中在液體(ti) 富集），且激光增材製造高冷速（10⁶~10⁷K/s）限製元素充分擴散，此偏析為(wei) 枝晶間 Laves 相形成提供條件。

（二）力學性能

拉伸性能：激光粉末床熔融增材製造的 Fe-Cr-Ni 合金室溫拉伸應力 - 應變曲線顯示，因合金致密度高且主要為(wei) 麵心立方（FCC）相，塑性較高，斷後伸長率 22.9%±3.8%；合金中胞狀亞(ya) 結構、沉澱納米顆粒對強度貢獻顯著，抗拉強度（875±14）MPa，屈服強度（675±14）MPa，兼具優(you) 異強度與(yu) 良好塑性，適用於(yu) 高強度高韌性需求場合。

斷口形貌：

低倍 SEM 照片顯示，斷裂麵粗糙，有明顯頸縮特征，表明斷裂前發生顯著塑性變形。

高倍及放大 SEM 照片揭示，斷口存在大量直徑約 500nm 的微小韌窩，說明 Fe-Cr-Ni 合金斷裂方式為(wei) 韌性斷裂。

四、結論

Fe-Cr-Ni 合金層間結合緊密，無明顯打印缺陷，Ni、Cr、Mn 等元素在基體(ti) 分布均勻，證明激光粉末床熔融原位合金可行。

Fe-Cr-Ni 合金基體(ti) 有大量胞狀亞(ya) 結構，平均尺寸 0.681μm，胞壁處富集 Nb、Mo 兩(liang) 種元素。

Fe-Cr-Ni 合金室溫拉伸性能良好，抗拉強度（875±14）MPa，屈服強度（675±14）MPa，斷後伸長率 22.9%±3.8%。