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合金制造領域展現出獨特優勢。然而，傳統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
      近期研究發現，提高線能量密度（LED）可有效改善Inconel 625合金性能，使柱狀晶轉變為近等軸晶，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、英尼格瑪聯合在Materials Research Letters上發表了最新研究成果"Enhanced mechanical properties and deformation mechanisms in DED Inconel 625 via printing path switching"，系統探討了打印路徑設計對材料組織性能的影響規律。
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，研究團隊優化了關鍵工藝參數：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0°路徑樣品相比，采用90°路徑切換制備的樣品展現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（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，從而優化材料微觀結構。這一工藝組合為實現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樣品展現出優異的強度-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%。材料表現出典型的三階段加工硬化行為，特別是在8-25%應變區間表現出加工硬化能力提高，使其獲得高達41.3 GPa*%的強塑積，顯著優于傳統熱軋合金（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。微觀分析發現，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應力集中現象，斷裂始終發生在晶粒內部，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于傳統鑄態合金。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℃時表現為典型的穿晶韌性斷裂，斷口呈現均勻分布的淺韌窩；750-800℃區間則轉變為沿晶斷裂模式，出現明顯的脆性斷裂特征；當溫度升至850℃時，斷口形貌呈現韌窩與脆性面共存的混合斷裂特征。

    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，成功將傳統柱狀晶轉變為均勻的近等軸晶結構。通過先進的微觀分析技術，研究發現這種特殊結構在變形時會產生獨特的位錯運動模式：不僅會發生平面滑移，還會形成高密度位錯墻和特殊的位錯鎖結構。這些微觀機制的協同作用，使材料同時具備優異的強度和延展性。

     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出卓越的力學性能。這一發現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

(責任編輯：admin)

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