Additive Manufacturing：用于提高 LPBF 蠕变性能的多激光扫描策略

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激光粉末床熔化（LPBF）作为一种先进的增材制造技术，在航空航天等领域具有重要应用。不过，LPBF 的制造效率相对传统工艺较低，限制了其大规模推广。多激光扫描策略为提升制造效率提供了可能，但其对材料微观结构和力学性能的影响尚不明确。针对这一问题，英国诺丁汉大学与雷尼绍公司联合研究团队系统研究了多激光扫描策略对 Inconel 718 合金 LPBF 零件蠕变性能的影响。

Inconel 718 是一种广泛应用于高温环境的镍基合金，因其优异的高温强度、抗腐蚀和抗蠕变性能而备受关注。在航空航天领域，如涡轮盘和叶片等部件常处于高温和高应力工况，对材料的蠕变性能要求极高。LPBF 技术能够制造复杂几何结构，为部件设计提供了更大自由度，但其制造时间相对较长。多激光扫描策略通过多激光协同工作，可显著缩短制造时间。然而，当前对于多激光扫描对材料微观结构及蠕变性能的影响研究较少，这使得相关工艺在实际应用中面临不确定性。

图1 条带扫描策略示意图

图2 用于显微镜分析的样品切片示意图

研究团队采用单激光和多激光两种扫描策略制造 Inconel 718 合金样品，制造设备为雷尼绍 RenAM 500Q 四激光设备。实验中，样品按 0°、45° 和 90° 三种不同构建方向制造，以评估构建方向对性能的影响。制造过程遵循以下参数：激光功率 212.5 W，扫描策略为条带扫描，曝光时间 20 μs，条带偏移量根据构建方向调整，搭接间距 17 μm，层间距 0.09 mm。制造完成后，所有样品在构建板上进行热处理，具体工艺为 980℃/1h 气淬，720℃/8h 炉冷至 620℃/8h 气淬，以确保与 wrought 合金性能对比的一致性。随后，通过线切割和机械加工将样品加工至标准尺寸，并进行表面处理以提高表面光洁度。蠕变测试在恒定载荷蠕变试验机上进行，测试条件为 650℃、600 MPa，每种情况重复三次以确保数据可靠性。微观结构分析借助扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）系统和光学显微镜等设备，对断裂表面、微观结构和晶粒尺寸等进行详细表征。

图3 样品微观结构

图4 不同LPBF样品的蠕变曲线

图5 与锻造样品的比较

图6 不同样品的热损失和晶粒生长示意图

结果表明，无论是单激光还是多激光制造的样品，其微观结构均表现出与构建方向一致的拉长晶粒特征，且可见气孔和 δ、Laves 等析出相。不同构建方向的样品晶粒尺寸存在差异，45° 单激光样品晶粒最大，wrought 合金晶粒最小。多激光策略对晶粒尺寸有一定影响，90° 和 0° 多激光样品晶粒尺寸大于单激光样品，而 45° 多激光样品晶粒尺寸小于单激光样品。析出相密度方面，单激光样品中 90° 样品析出相密度最高，多激光样品中 0° 样品析出相密度最高。气孔率在所有样品中基本相当，最大差异仅 0.04%。90° 多激光样品蠕变寿命与 wrought 合金相当，仅相差 1%，且优于单激光样品。45° 和0° 方向样品的蠕变性能与激光策略关系不大，均在第三蠕变阶段开始后不久失效。多激光策略未显著影响蠕变寿命和速率，且在 90° 样品中展现出更优的蠕变性能。所有样品的断裂表面均呈现出与加载方向垂直的微孔洞形成特征，典型的蠕变断裂机制。不同构建方向的样品因晶粒取向差异导致不同的断裂模式。90° 样品断裂面可见扫描痕迹，呈现准解理断裂特征；0° 样品断裂面平行于构建方向，表现为较少的微孔洞和多个解理台阶；45° 样品断裂面与构建方向垂直，呈现混合断裂特征。

多激光扫描策略对 Inconel 718 合金 LPBF 零件的蠕变性能具有积极或中性影响。90° 多激光样品的蠕变性能与 wrought 合金相当，展现出多激光策略在高温应用中的潜力。研究还表明，通过优化激光数量、扫描策略和构建方向等参数，可进一步提升制造效率和零件性能。未来的研究可聚焦于更复杂的激光扫描模式和工艺参数优化，同时结合疲劳和蠕变的综合测试，以满足航空航天等领域的实际应用需求。