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

一、研究背景與意義

自 21 世紀以來，我國航空、航天及汽車等關鍵領域飛速發展，對構件制造水平提出更高要求。傳統加工技術難以滿足復雜結構件需求，增材制造（AM）技術憑借逐層累積、可制造復雜形狀、研發周期短等特點，成為制造業革新核心動力。

金屬增材制造按熱源分激光增材制造（LAM）、電子束增材制造（EBAM）、電弧增材制造（WAAM），其中激光增材制造因成本低、適應范圍廣，在工業領域應用廣泛。當前激光增材制造金屬材料研究集中于不銹鋼、鎳基高溫合金等商用合金，但這些材料難滿足復雜應用需求，且非專為增材制造設計，工藝適應性存挑戰，故開發適用于增材制造的新型合金至關重要。

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

二、實驗材料與方法

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 水砂紙將試樣表面打磨至 2000#，消除線切割痕跡影響，拉伸應變速率 0.001s?1，共測 3 次確保重復性。

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 / 雙束系統掃描電子顯微鏡（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（SiO?懸浮拋光液）、腐蝕（H?O?:HCl=1:3 混合試劑，5s）、清洗吹干處理。

XRD 分析：采用 X'Pert PRO 型 X 射線衍射儀，旋轉 Cu 靶，管壓 40kV，管流 20mA，掃描范圍 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制造的 Fe-Cr-Ni 合金 XRD 圖譜僅呈現奧氏體（γ 相）特征峰，表明打印態合金主要由奧氏體相構成。這是因打印中快速凝固冷卻抑制 δ、γ″和 γ′強化相析出，且 316L 不銹鋼加入稀釋強化相形成元素，故未檢測到相關強化相衍射峰。

EBSD 分析：平行于打印方向（BD）的 EBSD 反極圖顯示，打印態 Fe-Cr-Ni 合金晶粒以柱狀晶為主，呈跨越多個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，基體無明顯孔洞、未熔合、裂紋等缺陷，打印性能良好，這對制造高質量高性能零件關鍵。

高倍 SEM 照片表明，基體呈胞狀生長特征，與激光增材制造的 316L 不銹鋼、IN718 鎳基高溫合金一致，且胞狀生長在多種激光增材制造合金中常見。

放大照片可見大量細小 Laves 相在枝晶間形成，與 Nb、Mo 在枝晶間富集有關；胞狀亞結構內部有大量均勻分布的細小沉淀相顆粒，可能為 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。

胞狀亞結構尺寸統計：Image J Pro 軟件統計（超 500 個）顯示，胞狀亞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，而一次枝晶間距與溫度梯度（G）、生長速率（V）相關。

EDS 元素面掃描：Ni、Cr、Mn 元素在基體分布均勻，無明顯宏觀偏析，證實 316L 與 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，主要在胞狀亞結構胞壁富集。這是因 Nb 和 Mo 分配系數小于 1（固態溶解度低于液態，凝固中在液體富集），且激光增材制造高冷速（10?~10?K/s）限制元素充分擴散，此偏析為枝晶間 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制造的 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面心立方（FCC）相，塑性較高，斷后伸長率 22.9%±3.8%；合金中胞狀亞結構、沉淀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，兼具優異強度與良好塑性，適用于高強度高韌性需求場合。

斷口形貌：

低倍 SEM 照片顯示，斷裂面粗糙，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 合金基體有大量胞狀亞結構，平均尺寸 0.681μm，胞壁處富集 Nb、Mo 兩種元素。

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，斷后伸長率 22.9%±3.8%。