• 引言

Inconel 718合金及其复合材料凭借优异的高温力学性能与耐腐蚀特性，在航空航天、能源装备等高端制造领域具有重要应用价值，金属粉末电弧选区熔化 (Selective Arc Melting, SAM) 方法为该类材料复杂构件的增材制造提供了新路径。然而，金属粉末电弧选区熔化过程中电弧热源作用下粉末层的熔化与凝固机制尚未明确，熔池行为对表面形貌的调控规律及碳化物添加的影响缺乏系统研究，严重制约了成形件质量的精准控制与增材制造工艺优化。针对上述问题，哈尔滨工业大学杨晓冬教授团队在Alloys 期刊发表了题为“A Study on the Bead Formation and Molten Pool Dynamics in Selective Arc Melting Additive Manufacturing of Inconel 718 and TiC/Inconel 718 Composite via High-Speed Photography”的研究论文。基于搭建的高速摄像观测系统对金属粉末电弧选区熔化增材制造Inconel 718和TiC/Inconel 718复合材料单道单层沉积过程中的熔化凝固行为进行观测，研究了两种材料沉积道的边缘特征形成差异，揭示了熔池形成过程及成形表面高度差的成因，明确了TiC添加对熔池稳定性与表面质量的调控作用。该研究为金属粉末电弧选区熔化制造镍基高温合金及其复合材料的工艺参数优化、表面缺陷控制提供了重要依据。

• 研究过程与结果

作者基于金属粉末电弧选区熔化增材方法制备了Inconel 718合金与TiC/Inconel 718复合材料薄壁件，利用高速摄影原位观测、微观组织表征、表面形貌检测等方法，开展了TiC颗粒添加对成形件宏观形貌、微观组织、熔凝动力学影响的研究。研究对比了相同工艺参数下两种材料薄壁件的成形特征，Inconel 718薄壁件侧壁分布大量直径1~2 mm的半球形凸起；TiC/Inconel 718复合材料薄壁件侧壁仅观察到少量微小凸起，表现出更优异的表面成形精度。Inconel 718成形件微观组织以柱状枝晶为主，枝晶间分布着链状Laves相；TiC/Inconel 718复合材料在增材过程中原位生成大量弥散分布的、由Ti、Nb、Mo碳化物形成的细小颗粒，且未观察到链状Laves相生成。

为明确Inconel 718合金与TiC/Inconel 718复合材料增材制造过程中的熔凝行为差异，基于高速摄像方法对单道单层成形过程开展原位观测。结果表明，Inconel 718合金熔池材料主要来自周围熔化液滴的物质输运，并伴随剧烈的熔池表面波动；TiC/Inconel 718复合材料熔池材料则主要来自电弧中心区域下方粉末的原位熔化，TiC颗粒的加入改变了熔融合金的表面张力、黏度等物理特性，显著提升了熔池稳定性。Inconel 718合金加热区边缘液滴因热输入不足流动性较差，接触熔池边缘后原位凝固形成初始凸起，后续周边粉末熔化材料在凸起处冷却堆积并最终形成半球形凸起；而TiC/Inconel 718复合材料液滴接触熔池后，内部大部分材料流入熔池，液滴体积缩小并在冷却后形成相对平整光滑的边缘形貌。研究结果表明，相同时间内凝固形成沉积道的熔融材料的体积差异是主要原因，而粉末熔化过程中随机生成的大尺寸熔滴是关键影响因素。统计显示，成形高度较高区域400 ms内汇入液滴总体积约为0.59 mm³；较低区域仅为0.22 mm³。大液滴汇入会引发熔池波动，在电弧后方形成局部峰值，加剧熔池受热不均与马兰戈尼对流，进一步促进局部凸起生成。

综上，该研究通过观测与表征分析明确了金属粉末电弧选区熔化过程中TiC对Inconel 718合金熔凝行为、微观组织及表面质量的影响机制，阐明了侧壁凸起特征与表面高度差的形成根源，为镍基高温合金及复合材料电弧选区熔化的工艺优化、缺陷控制及性能提升提供了重要依据。

图1. 成形件微观组织：(a) (b) Inconel 718成形件，(c) (d) TiC/Inconel 718成形件

图2. Inconel 718增材制造过程中熔滴形成及凝固过程

图3. TiC/Inconel 718增材制造过程中熔滴形成及凝固过程

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/2674-063X/5/1/5

• Alloys 期刊介绍

主编：Nikki Stanford, University of South Australia, Australia

Alloys (ISSN 2674-063X) 是一个国际性、经同行评审的开放获取期刊。期刊涵盖了所有合金的制备、表征和应用。主题领域包括但不限于：铁合金，包括所有钢种；轻质合金；高熵合金、块状金属玻璃和金属间化合物；特殊合金，例如为耐腐蚀、高温性能、储氢和磁性性能而设计的合金；热机械加工、铸造、增材制造等合金加工技术；合金的理论和计算分析；合金在所有长度尺度上的表征；合金的特性和性能，例如强度、疲劳、腐蚀、磨损和可成形性等。期刊已经被Scopus, DOAJ, CNKI等数据库收录。

2025 CiteScore：4.1

Time to First Decision：24 Days

Acceptance to Publication：5 Days

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/alloys

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