IMDEA材料研究所3D打印IN939高温合金最新成果，可实现微观结构调控

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导读：镍基高温合金，例如因科系列镍基合金，在极端条件下具有卓越强度和耐受性，是增材制造领域最具前景但又极具挑战性的材料之一。这些材料以其在而闻名。然而，它们的复杂性也给打印过程中控制内部微观结构带来了巨大的挑战。理解和操控这种微观结构至关重要，因为它直接影响所制造部件的机械性能、耐久性和可靠性。

2025年8月8日，IMDEA材料研究所IgnacioRodríguez Barber领导的团队最近开展了一项3D打印IN939镍基高温合金的研究，提出了一种流线型且可扩展的方法，用于设计和控制激光粉末床熔融（LPBF）制备Inconel 939（In939）合金组件中的微观结构。

△IMDEA材料研究所研究员 Ignacio Rodríguez Barber 与多个 LPBF 打印的 IN939 结构合影

这项研究以题为“Melt pool overlap as a key tool formicrostructure design in PBF-LB/M of a Ni-based superalloy: empirical andanalytical approaches”的论文发表在《增材制造》杂志上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2025.104901

镍基高温合金在工业中的关键作用

镍基高温合金在各种高性能行业中发挥着至关重要的作用。它们能够耐受高温和腐蚀环境，这使得它们在航空航天和能源生产等领域至关重要。由这些合金制成的部件通常暴露在严苛的操作条件下，例如燃气轮机和喷气发动机中，在这些条件下材料不能失效。尽管镍基高温合金具有诸多优势，但正是这些特性导致了制造难度，尤其是在试图在复杂的几何形状中实现精确均匀的晶粒结构时。

LPBF工艺虽然用途广泛且精度高，但会引入快速的热波动，导致晶粒结构复杂且通常难以预测。无法持续预测和控制这些微观结构可能会影响最终产品的性能。传统方法很大程度上依赖于反复的反复试验，这限制了效率并增加了生产成本。业界长期以来一直期待一种既具有预测能力又可扩展的微观结构特性控制方法。

在María Teresa Pérez-Prado的领导下，可持续冶金集团致力于解决金属加工中的关键挑战。研究团队开发了一种实用方法，能够在镍基高温合金的LPBF过程中实现精确的微观结构控制。该方法通过确定熔池重叠是一个关键的几何参数，并进行调整以实现所需的微观结构结果，从而实现了重大突破。

△大型 EBSDIPF 图展示了二维微观结构设计的示例。图中所示的设计是 IMDEA Materials 可持续冶金研究小组的标志。

IMDEA 对 IN939 的愿景

这项研究的重点是IN939，这是一种常用于航空航天和能源应用的高性能镍基高温合金。它表现出优异的抗高温、抗氧化和抗蠕变性能。这些特性非常适合需要长时间暴露于恶劣条件下的应用。然而，IN939的加工窗口狭窄，且在凝固过程中容易开裂，这使得它很难通过LPBF工艺进行有效加工，并且不会引入结构缺陷。

这项研究的核心创新在于对熔池重叠度的详细研究，即LPBF工艺中相邻激光路径的交叉程度。通过系统地调整这种重叠度，研究人员能够影响打印材料中的晶粒尺寸、形状和取向。低于0.6的低重叠度可形成细晶粒、等轴结构，这种结构更加均匀，不易开裂。相反，较高的重叠度则促进了细长、柱状晶粒的生长，并具有较强的织构。这一发现为局部微观结构控制打开了大门，使工程师能够定制单个部件内不同区域的内部特性。

为了强化研究成果，IMDEA 团队将实践实验与先进的建模技术相结合。他们重新表述了传统上用于热传导预测的罗森塔尔方程，更适合 LPBF 的动态条件。此外，他们还开发了一种新的归一化体积能量密度解释，有助于解释能量输入在加工过程中如何与材料相互作用。这些模型提高了微观结构预测的准确性，并为设计工艺参数提供了更稳健的框架。

这项研究催生了一种预测工具，使制造商能够以前所未有的精度定义和调整工艺参数。现在，诸如激光功率、扫描速度、扫描距离和扫描轨道长度等变量可以直接与微观结构结果关联。通过微调这些参数，我们不仅能够制造形状和尺寸优化的组件，还能优化材料性能，从而适应零件各个部分的特定需求。