背景介紹
增材製造又稱為3D打印，是近30年發展起來的一種先進製造技術。理論上，增材製造技術可以將任何CAD模型轉化為物理實體，這極大地增加了複雜零件的幾何設計自由度和製造能力。
圖1 激光粉床熔化技術示意圖【30】
對於金屬來說，激光粉床熔化成形（L-PBF: laser powder bed fusion，也稱為選區激光熔化成型SLM）主要利用高能量激光束逐層熔化預置的薄層金屬粉末，在凝固和冷卻後可形成高性能部件，是最有前景的增材製造技術之一。該項技術尤其適合於小批量、高精度、個性化、複雜結構零件的成形加工，在航空航天、生物醫療、汽車、磨具等領域具有廣泛的應用前景。
Inconel 625 (IN625)是一種鎳基高溫合金，主要利用Ni-Cr基體中如鉬(Mo)和鈮(Nb)等元素的固溶強化作用來獲得高溫強度和抗蠕變性能，同時在不同環境中的耐蝕性和可焊性也較好。然而，IN625由於其高硬度、低導熱係數和高加工硬化率，被認為是難加工或難以用減材製造的合金，在機械加工的過程中，機加工刀具的磨損很快，並且這種材料在鑄造或鍛造時較難控制其性能。因此很有必要探索Inconel 625鎳基高溫合金的直接3D打印成型，從而大量減少傳統制造中所需的機加工，同時也可以極大的提高零件的設計自由度，增加內部複雜冷卻流道等。
微觀組織
總體特徵&殘餘應力
和大多數L-PBF成形合金類似，as-built態的IN625合金主要由胞狀枝晶和沿building方向伸長的柱狀晶組成，晶粒均勻細小，具有明顯的快速凝固特徵。試樣主要由單一的奧氏體相構成，由於激光工藝參數的影響，試樣內存在夾雜、孔洞、裂紋、層間未熔合等缺陷，並且試樣內高程度的殘餘應力只能通過後期的高溫熱處理才能得到明顯消除。
圖2 “As-built”態IN625合金的宏觀形貌[55]
各向異性
L-PBF成形Ni基合金大都具有明顯的各向異性，大部分晶粒沿著<100>方向生長，在熔池的邊界分佈有大量的細小晶粒，織構呈現典型的{100}<001>型立方織構。成形件晶粒生長方向與掃描策略密切相關，當採用十字交叉掃描方式，晶粒最快生長方向<100>垂直於成形基板；當採用單向掃描時，晶粒的生長方向與成形方向成60度夾角，這種現象主要由於激光點光源運動時，熱流方向並不是完全與生長方向對稱引起的。
圖3 Ni基合金L-PBF態EBSD取向分佈圖[64]
採用均勻光斑時，熔池底部獲得良好的外延生長，對流不足以破壞原有的生長特點，晶體依舊沿著最有利的<100>方向生長，並逐步向上延伸。經過EBSD分析，對於高斯光斑區，外延區單晶很少，大約只有0.5mm，而在均勻光斑區，單晶外延在中部可以達到4mm的高度。
圖4 不同激光能量形式下成形件縱截面EBSD取向分佈[64]
析出相
XRD結果表明L-PBF成形的IN625合金由γ基體和脆性Laves相組成，合金凝固方程為L→L+γ→L+γ+NbC+Laves→γ+NbC+Laves，很容易形成Laves相和NbC相。由於冷卻時間短，碳化物來不及生長，數量遠少於Laves相。合金拉伸性能呈現出典型的各向異性特點，拉昇強度沿著水平方向高於沿著豎直方向，層與層之間的邊界處在SLM沉積過程中的性能弱區，容易發生組織粗化，強度較低；同時容易產生裂紋，裂紋沿著層層邊界進行拓展，這是導致沿著豎直方向沉積LPBF-IN625試樣力學性能較差的主要原因。
圖5 L-PBF成形IN625的微觀晶粒拓撲結構圖[55] （a）Y-Z截面（b）X-Y截面（c）（100）（d）參考座標系
成形缺陷
表1 L-PBF成形IN625合金零件主要缺陷及形成原因
力學性能
表2 不同文獻中L-PBF成形IN625零件的力學性能
目前，航空航天行業對於極端溫度和環境下部件的性能和效率要求不斷提高，激光粉床熔化已成為生產複雜高效IN625部件的極具吸引力的工藝。與L-PBF過程相關的變量有很多，如激光功率、掃描速度、掃描間距和層厚等，所有這些變量都需要進行適當的控制，以成功且可靠地形成最終可用的部件，否則將導致球化、變形、氣孔、裂紋和低緻密度等嚴重影響零件性能的缺陷。此外，“As-built”態的L-PBF成形的零件表面質量和尺寸精度通常不足以滿足工業生產的要求，因此常常需要表面加工、熱處理等後處理過程。
近日，《Applied Sciences》上發表的題為“A Review on Laser Powder Bed Fusion of Inconel 625 Nickel-Based Alloy” 的綜述文章，系統地總結了近年來有關L-PBF成形IN625合金的組織、力學性能、殘餘應力演變及缺陷形成機理等方面的研究，從消除或緩解構件中的殘餘應力，提高成形質量（改善表面粗糙度、緻密度、微觀組織和力學性能）等角度出發，介紹了一些有效的解決方案，如調整激光參數、基體預熱、表面加工、添加增強相、進行後續熱處理等，為提高IN625鎳基合金L-PBF成形零件的綜合性能提供了有益借鑑。最後，文章還指出了L-PBF成形IN625合金零件研究中仍然存在的問題及今後的研究方向。
總結與展望
L-PBF作為一種重要的增材製造技術，為複雜零部件的生產提供了巨大的潛力。目前對L-PBF成形IN625合金的研究主要集中在通過改變工藝參數和隨後的熱處理來調節其組織和性能。由於LPBF工藝涉及冶金、物理、化學、熱耦合等複雜問題，工藝參數之間的匹配關係非常複雜，因此目前IN625的L-PBF工藝參數還不成熟。如試樣中經常存在較大殘餘應力而導致裂紋產生。層間也經常出現孔洞、裂紋、夾雜等其它缺陷。
由於LPBF-IN625合金中存在織構，試樣的性能各向異性經常出現，但有時成形面之間的性能差異並不理想。此外，非平衡凝固導致基體金屬中合金元素的固溶極限顯著提高，使得L-PBF零件的性能不同於傳統的塊體材料。迄今為止，對IN625的L-PBF的研究主要集中在顯微硬度和拉伸性能方面，而對其它重要性能如高溫拉伸強度、耐腐蝕性和蠕變性能的研究較少。因此，今後的研究應著重於以下幾個方面：
（1） 對IN625合金鑄態和後處理後的宏觀缺陷和微觀組織進行表徵，深入探討宏觀缺陷（氣孔、微裂紋、球化、未熔化區）的形成機制和微觀組織的演化機制（晶界、第二相、位錯、亞晶界、層錯等）。
（2） 研究LPBF-IN625合金的高溫和低溫性能（強度、疲勞、蠕變、腐蝕等）的各向異性和特性，闡明其形成原因，特別是“As-built”態和後處理狀態下宏觀各向異性和微觀各向異性對上述性能的影響。
（3） 建立預測LPBF-IN625合金組織演變和殘餘應力分佈的模型，即建立LPBF參數、組織、殘餘應力和力學性能之間的關係。
Key words: Selective laser melting; Ni based alloy; Laser powder bed fusion; Inconel 625; Heat treatment; Mechanical properties
（選區激光熔化成形、鎳基合金、激光粉床熔化成形、金屬3D打印、金屬增材製造）
文章鏈接：A Review on Laser Powder Bed Fusion of Inconel 625 Nickel-Based Alloy (https://doi.org/10.3390/APP10010081)
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