激光近净成形（LENS）增材制造 Inconel 718 金属结构 工艺、组织与性能

激光近净成形（Laser Engineered Net Shaping, LENS）作为一种典型的定向能量沉积（DED）增材制造技术，在制备高性能金属结构件方面展现出独特优势。Inconel 718 镍基高温合金因其优异的高温强度、抗氧化性和抗疲劳性能，被广泛应用于航空航天、能源和核工业等领域。本文系统介绍了 LENS 技术的工作原理与工艺特点，分析了 LENS 增材制造 Inconel 718 的微观组织演变规律、典型缺陷及其控制策略，并探讨了后处理工艺对力学性能的影响，最后展望了该技术在复杂金属结构件制造中的发展前景。

一、引言

增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术通过逐层堆积材料实现三维实体制造，为复杂金属结构件的快速成形提供了全新途径。其中，激光近净成形（LENS）属于定向能量沉积（DED）技术的一种，利用高功率激光束在沉积层上形成熔池，同时通过同轴送粉喷嘴将金属粉末送入熔池，快速凝固后形成致密金属层，逐层堆积直至完成整个零件。Inconel 718 是一种沉淀强化型镍基高温合金，在 650°C 以下具有优异的高温强度和抗蠕变性能，是航空航天发动机、燃气轮机等热端部件的关键材料。Inconel 718 的传统加工方式（如锻造、铸造）存在模具成本高、周期长、难以制造复杂内流道结构等问题，而 LENS 增材制造技术能够有效解决这些瓶颈，实现近净成形，显著降低材料浪费和加工成本。

二、LENS 技术原理与工艺特点

LENS 系统主要由激光器、同轴送粉喷嘴、多轴运动系统、气氛保护舱和粉末供给系统组成。工作时，激光束在基板或已沉积层上形成熔池，金属粉末通过载气从喷嘴送出，在熔池中熔化并快速凝固，形成冶金结合的沉积层。激光头或基板按预设路径移动，完成单层扫描，再逐层堆积，最终形成三维金属零件。

LENS 技术的工艺特点包括：(1) 可实现全致密金属结构的近净成形，材料利用率高；(2) 适用于多种金属粉末，包括镍基、钛基、铁基等合金；(3) 可进行多材料梯度沉积和功能梯度结构制造；(4) 沉积效率较高，适合中等尺寸复杂结构件的直接制造和修复。

三、LENS 增材制造 Inconel 718 的微观组织演变

LENS 过程中，熔池冷却速率高达 10^3–10^5 K/s，导致 Inconel 718 的凝固组织具有鲜明的快速凝固特征。典型组织表现为沿沉积方向外延生长的柱状晶，晶粒内部存在细小的枝晶亚结构。由于快速凝固抑制了 Nb 元素的偏析，Laves 相（(Ni,Fe,Cr)2(Nb,Ti,Mo)）的体积分数较传统铸态显著降低，且分布更加弥散。

在逐层沉积过程中，后续沉积层对前一层产生反复热循环，导致组织出现周期性变化。层带区域通常表现为更细小的晶粒或部分再结晶组织，而层间区域则保留较为粗大的柱状晶。LENS 沉积态 Inconel 718 的基体为 γ 相（面心立方镍基固溶体），并伴有少量 γ′ 和 γ″ 强化相析出，但由于冷却速度快，析出相尺寸细小且分布不均匀。

四、典型缺陷及其控制策略

LENS 增材制造 Inconel 718 常见的缺陷包括气孔、未熔合、裂纹和残余应力等。

气孔通常由粉末表面吸附气体、载气卷入或熔池内气体逃逸不充分引起。控制策略包括：优化激光功率和扫描速度以延长熔池存在时间，使用高纯度氩气保护，以及对粉末进行烘干处理。

未熔合缺陷多出现在层间或道间结合处，主要与能量输入不足、送粉速率过高或扫描间距过大有关。通过提高激光功率、降低扫描速度或减小送粉率，可有效改善层间冶金结合。

裂纹是 Inconel 718 增材制造中较为棘手的问题，包括凝固裂纹和液化裂纹。凝固裂纹与 Nb 偏析形成的低熔点 Laves 相有关；液化裂纹则源于晶界处低熔点共晶相在热循环作用下重熔。控制方法包括：调整成分（如降低 Nb 含量）、优化工艺参数以减少热应力、以及采用基板预热降低温度梯度。

残余应力主要源于快速加热和冷却引起的非均匀热胀冷缩。通过预热基板、优化扫描策略（如岛状扫描、往复扫描）以及后续热处理，可有效降低残余应力水平。

五、后处理工艺对力学性能的影响

LENS 沉积态 Inconel 718 的力学性能通常低于锻件标准，需通过热处理进行调控。标准热处理制度包括：固溶处理（980–1050°C，1–2 h，空冷或水淬）和双时效处理（720°C，8 h，炉冷至 620°C，8 h，空冷）。固溶处理可溶解 Laves 相和部分 δ 相，使 Nb 元素回溶到基体中；双时效处理则促进 γ′ 和 γ″ 强化相均匀析出，显著提高合金的强度和硬度。

研究表明，经过适当热处理的 LENS Inconel 718，其室温拉伸性能可达到锻件水平的 90% 以上，高温持久性能也接近锻件标准。由于沉积态组织中的柱状晶和层带结构具有各向异性，力学性能在沉积方向与横向之间存在差异，需要通过工艺优化和热处理制度调整来减小各向异性。

六、结论与展望

LENS 增材制造技术为 Inconel 718 复杂金属结构件的成形提供了高效、灵活的途径。通过优化工艺参数、控制缺陷和合理后处理，可以获得组织致密、性能优异的 Inconel 718 构件。未来研究应重点关注以下方向：(1) 多尺度组织调控与性能预测模型；(2) 各向异性力学行为的定量表征与控制；(3) 多材料梯度沉积与功能一体化制造；(4) 在线监测与闭环控制系统的开发，以实现工艺稳定性和重复性的提升。随着这些关键技术的突破，LENS 增材制造 Inconel 718 结构件将在航空航天、能源装备等领域获得更广泛的应用。