因瓦合金（Invar 36）是一種鎳元素含量為36%的鐵鎳合金，其在居里溫度（230°C）以下具有極低的熱膨脹系數(shù)（< 2.0 ppm/°C），這種反常的現(xiàn)象被稱為因瓦效應(yīng)。正是因?yàn)檫@一獨(dú)特的特性，因瓦合金被廣泛應(yīng)用于對精度和尺寸穩(wěn)定性具有極高需求的工程結(jié)構(gòu)中，比如精密儀器儀表、鐘表游絲、雙金屬片、大地諧振儀、衛(wèi)星支架、光學(xué)望遠(yuǎn)鏡支架、復(fù)合材料模具和液化天然氣運(yùn)輸船等。然而，因瓦合金的高延展性和低熱導(dǎo)率，導(dǎo)致其傳統(tǒng)的機(jī)械加工性能較差，嚴(yán)重限制了其應(yīng)用。目前，快速發(fā)展的激光粉末床熔融（LPBF）工藝為因瓦合金的制備提供了一種有效途徑。然而LPBF工藝中引入了獨(dú)特的微觀組織結(jié)構(gòu)以及不可避免的孔隙缺陷，這將極大程度地降低因瓦合金的力學(xué)性能。因此，有必要研究LPBF工藝下因瓦合金的力學(xué)行為，并進(jìn)一步探索其微觀結(jié)構(gòu)和孔隙缺陷對力學(xué)行為的影響規(guī)律。

近期，湖南大學(xué)韋凱與北京理工大學(xué)曲兆亮研究團(tuán)隊(duì)在方岱寧院士的指導(dǎo)下采用LPBF工藝制備了因瓦合金，首次利用原位X射線斷層掃描技術(shù)對其拉伸力學(xué)行為進(jìn)行了深入研究，并建立了LPBF制備的因瓦合金其工藝參數(shù)-微觀結(jié)構(gòu)（微觀組織和孔隙缺陷）-力學(xué)性能的關(guān)聯(lián)規(guī)律，對實(shí)現(xiàn)LPBF工藝制備的因瓦合金在航空航天等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用具有重要意義。該研究成果以“In-situ X-ray computed tomography tensile tests and analysis of damage mechanism and mechanical properties in laser powder bed fused Invar 36 alloy”為題發(fā)表于期刊《Journal of Materials Science & Technology》。

原文鏈接：https://doi.org/10.1080/17452759.2023.2190901

圖1. 不同LPBF工藝參數(shù)下制備的因瓦合金顯微組織：（a-c）EBSD-IPF圖，（d-f）EBSD-KAM圖，和（g-i）EBSD-相圖。

圖2. 不同LPBF工藝參數(shù)下制備的因瓦合金樣件內(nèi)部缺陷：（a, d, g）三維形貌和分布，（b, e, h）相對頻率，和（c, f, i）球形度分析。

圖3. 不同LPBF工藝參數(shù)下制備的因瓦合金樣件的原位拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線和標(biāo)距段的變形演化（a）Ev=74.1J/mm3，（b）Ev=148.2J/mm3，（c）Ev=185.3J/mm3，和（d）各樣件強(qiáng)度與延伸率的對比圖。

圖4. 原位拉伸試驗(yàn)中激光能量密度Ev=74.1J/mm3下制備樣件標(biāo)距段內(nèi)的孔隙缺陷演化（圖中半透明的灰色表示實(shí)體部分，藍(lán)色表示孔隙缺陷，黃色表示導(dǎo)致失效的缺陷或裂紋）以及在XOZ和YOZ截面中觀察到的裂紋擴(kuò)展。掃描1是在施加載荷前獲得的初始階段，掃描2和3是在拉伸加載過程中獲得的。

圖5. 原位拉伸試驗(yàn)中激光能量密度Ev=148.2J/mm3下制備樣件標(biāo)距段內(nèi)的孔隙缺陷演化（圖中半透明的灰色表示實(shí)體部分，藍(lán)色表示孔隙缺陷，黃色表示導(dǎo)致失效的表面凹陷和裂紋）以及在XOZ和YOZ截面中觀察到的裂紋擴(kuò)展。掃描1是在施加載荷前獲得的初始階段，掃描2-5是在拉伸加載過程中獲得的。

圖6. 原位拉伸試驗(yàn)中激光能量密度Ev=185.3J/mm3下制備樣件標(biāo)距段內(nèi)的孔隙缺陷演化（圖中半透明的灰色表示實(shí)體部分，藍(lán)色表示孔隙缺陷，黃色表示導(dǎo)致失效的表面凹陷和裂紋）以及在XOZ和YOZ截面中觀察到的裂紋擴(kuò)展。掃描1是在施加載荷前獲得的初始階段，掃描2-5是在拉伸加載過程中獲得的。

圖7. 原位拉伸試驗(yàn)中裂紋體積、平均等效直徑以及球度的定量分析:（a-c）Ev=74.1J/mm3，（d-f）Ev=148.2J/mm3，（g-i）Ev=185.3J/mm3。

圖8. 不同LPBF工藝參數(shù)下制備的因瓦合金樣件斷口形貌：（a-c）CT形貌展示了裂紋源位置以及裂紋擴(kuò)展方向，（d-f）SEM形貌展示了裂紋源位置以及裂紋擴(kuò)展區(qū)域，（g-i）高倍SEM形貌展示了解理斷裂以及韌窩。

本研究深入分析了LPBF工藝下因瓦合金的原位拉伸力學(xué)行為。研究表明，較低激光能量密度會導(dǎo)致樣件中有許多不規(guī)則的細(xì)長欠融化孔隙，這些孔在拉伸過程中加速了裂紋擴(kuò)展與合并，最終導(dǎo)致了樣件的快速失效。而對于充足和過高的激光能量密度下制備的樣件，其內(nèi)部僅有少量球形度較高的冶金氣孔和匙孔。這些孔在拉伸過程中對損傷演化的影響較小。此外，還建立了LPBF制備的因瓦合金其工藝參數(shù)-微觀結(jié)構(gòu)（微觀組織和孔隙缺陷）-力學(xué)性能的關(guān)聯(lián)規(guī)律。低的激光能量密度會導(dǎo)致樣件內(nèi)高體積分?jǐn)?shù)的欠融化孔隙，從而導(dǎo)致相對較低的屈服強(qiáng)度和延展性。而對于沒有欠融化孔隙的樣件，其力學(xué)性能優(yōu)異，且隨著的激光能量密度的增大會導(dǎo)致較大的晶粒尺寸和較低的位錯(cuò)密度，最終會略微降低合金的屈服強(qiáng)度但略微增強(qiáng)其延展性。上述發(fā)現(xiàn)將為因瓦合金的LPBF工藝參數(shù)優(yōu)化以及其工程應(yīng)用提供重要的基礎(chǔ)和指導(dǎo)。