麻花星空影视传媒制作公司

激光增材制造 316L 及 IN718 的原位合金化及其微观组织与力学性能研究

一、研究背景与意义

自 21 世纪以来，我国航空、航天及汽车等关键领域飞速发展，对构件制造水平提出更高要求。传统加工技术难以满足复杂结构件需求，增材制造（AM）技术凭借逐层累积、可制造复杂形状、研发周期短等特点，成为制造业革新核心动力。

金属增材制造按热源分激光增材制造（尝础惭）、电子束增材制造（贰叠础惭）、电弧增材制造（奥础础惭），其中激光增材制造因成本低、适应范围广，在工业领域应用广泛。当前激光增材制造金属材料研究集中于不锈钢、镍基高温合金等商用合金，但这些材料难满足复杂应用需求，且非专_x0008_为增材制造设计，工艺适应性存挑战，故开发适用于增材制造的新型合金至关重要。

316L 不锈钢耐腐蚀性、抗氧化性优异，在环境表现突出，广泛用于航空、航天等领域，且加工焊接性能好，是增材制造常用材料；IN718 合金作为镍基高温合金，高温强度和抗蠕变性能佳，在 650℃以下表现显著，多用于航空发动机高温构件制造。二者含相同主要元素（Fe、Cr、Ni），为原位合成合金提供基础，本研究采用激光粉末床熔融技术制备新型 Fe-Cr-Ni 合金，分析其微观组织与力学性能，为相关合金设计开发提供参考。

二、实验材料与方法

室温力学性能测试及微观组织观察

室温拉伸测试：用 Instron 5967 电子万能试验机，非接触式视频引伸计实时应变监测，试样尺寸及取样方式特定。试验前用 SiC 水砂纸将试样表面打磨至 2000#，消除线切割痕迹影响，拉伸应变速率 0.001s??，共测 3 次确保重复性。

微观组织观察：观察试样取自拉伸试样夹持段，用 G3 UC 型聚焦离子 / 双束系统扫描电子显微镜（SEM）进行微观组织观察和电子背散射衍射（EBSD）测试，工作电压 20kV。观察前试样经打磨（至 5000#）、机械抛光（SiO?悬浮抛光液）、腐蚀（H?O?:HCl=1:3 混合试剂，5s）、清洗吹干处理。

XRD 分析：采用 X'Pert PRO 型 X 射线衍射仪，旋转 Cu 靶，管压 40kV，管流 20mA，扫描范围 20°~90°，扫描速度 3 (°)/min，扫描步长 0.02°。

叁、实验结果及讨论

（一）微观组织

XRD 分析：激光粉末床熔融增材制造的 Fe-Cr-Ni 合金 XRD 图谱仅呈现奥氏体（γ 相）特征峰，表明打印态合金主要由奥氏体相构成。这是因打印中快速凝固冷却抑制 δ、γ″和 γ′强化相析出，且 316L 不锈钢加入稀释强化相形成元素，故未检测到相关强化相衍射峰。

EBSD 分析：平行于打印方向（BD）的 EBSD 反极图显示，打印态 Fe-Cr-Ni 合金晶粒以柱状晶为主，呈跨越多个熔合层外延生长特征，柱状晶长 200~500μm、宽 20~50μm。激光粉末床熔融中，已凝固金属层经新激光扫描局部重熔提供晶核，熔池内温度梯度使晶粒沿温度梯度快速生长，形成贯穿多融合层的柱状晶。

SEM 分析：

低倍 SEM 照片显示，打印态 Fe-Cr-Ni 合金层间结合紧密，基体无明显孔洞、未熔合、裂纹等缺陷，打印性能良好，这对制造高质量高性能零件关键。

高倍 SEM 照片表明，基体呈胞状生长特征，与激光增材制造的 316L 不锈钢、IN718 镍基高温合金一致，且胞状生长在多种激光增材制造合金中常见。

放大照片可见大量细小 Laves 相在枝晶间形成，与 Nb、Mo 在枝晶间富集有关；胞状亚结构内部有大量均匀分布的细小沉淀相颗粒，可能为 MC 碳化物或氧化物颗粒，加载时可充当位错移动屏障提升材料强度。

胞状亚结构尺寸统计：Image J Pro 软件统计（超 500 个）显示，胞状亚结构尺寸符合高斯分布，平均直径 0.681μm，近似反映一次枝晶间距，而一次枝晶间距与温度梯度（G）、生长速率（V）相关。

EDS 元素面扫描：Ni、Cr、Mn 元素在基体分布均匀，无明显宏观偏析，证实 316L 与 IN718 在激光粉末床熔融中实现充分元素混合，原位合金化效果好；Nb 和 Mo 存在偏析，主要在胞状亚结构胞壁富集。这是因 Nb 和 Mo 分配系数小于 1（固态溶解度低于液态，凝固中在液体富集），且激光增材制造高冷速（10?~10?K/s）限制元素充分扩散，此偏析为枝晶间 Laves 相形成提供条件。

（二）力学性能

拉伸性能：激光粉末床熔融增材制造的 Fe-Cr-Ni 合金室温拉伸应力 - 应变曲线显示，因合金致密度高且主要为面心立方（FCC）相，塑性较高，断后伸长率 22.9%±3.8%；合金中胞状亚结构、沉淀纳米颗粒对强度贡献显著，抗拉强度（875±14）MPa，屈服强度（675±14）MPa，兼具优异强度与良好塑性，适用于高强度高韧性需求场合。

断口形貌：

低倍 SEM 照片显示，断裂面粗糙，有明显颈缩特征，表明断裂前发生显著塑性变形。

高倍及放大 SEM 照片揭示，断口存在大量直径约 500nm 的微小韧窝，说明 Fe-Cr-Ni 合金断裂方式为韧性断裂。

四、结论

Fe-Cr-Ni 合金层间结合紧密，无明显打印缺陷，Ni、Cr、Mn 等元素在基体分布均匀，证明激光粉末床熔融原位合金可行。

Fe-Cr-Ni 合金基体有大量胞状亚结构，平均尺寸 0.681μm，胞壁处富集 Nb、Mo 两种元素。

Fe-Cr-Ni 合金室温拉伸性能良好，抗拉强度（875±14）MPa，屈服强度（675±14）MPa，断后伸长率 22.9%±3.8%。