一、研究意义与内容
Inconel718合金具有高的抗拉强度、屈服强度、持久强度和塑性，因而成为航空、航天、核能、石油领域大量应用的关键材料。激光定向能量沉积（DED）增材技术具有能量密度高和实现近净成型的特点，因此有利于加工Inconel718合金。但是在DED增材制造镍基高温合金过程中尚存在成分偏析严重从而产生有害相Laves相，以及由于较大的温度梯度从而生成粗大的柱状晶导致材料具有较强的各向异性等问题。本文通过在DED过程中引入层间锤击工艺，最终生成了粗晶区（CG区）和细晶区（FG区）交替分布的晶粒形貌，并且Laves相的含量得到明显降低。本文对微观形貌和析出相的演变过程进行了分析并且对力学性能增强的强化机制进行了定量分析。
二、结果
1.微观形貌
通过对DED试样，层间锤击-顶部锤击（TH）试样和层间锤击-顶部沉积（TD）试样的微观组织观测将其按照微观型形貌演变过程分为A-E五个区域，如图2所示。DED试样的晶粒形貌为粗大的柱状晶，晶粒沿沉积方向定向生长，记作区域A。受到锤击后的晶粒仍为沿沉积方向生长的柱状晶，但其晶粒尺寸减小，记作区域B。在新沉积层带来的热输入影响下，受到锤击作用的B区域中部分区域发生再结晶，其中再结晶区域记作区域C。最后层间锤击复合工艺下成型件的微观形貌为FG区和CG区交替分布，分别将其记为区域D和区域E。 图2.微观组织演变（a）DED试样；（b）TH试样；（c）TD试样 图3对A-E区域的晶粒尺寸分布进行了统计，锤击能够降低晶粒尺寸，并且再结晶的发生能够使得晶粒尺寸进一步显著减小，最终经过层间锤击后的D区域和E区域的晶粒尺寸均小于A区域，晶粒尺寸的细化能够起到对材料的力学性能起到强化作用。 
图4对各区域的KAM图和θ值进行了对比和计算，层间锤击在晶粒内部引入大量位错，再结晶的发生消耗了部分位错，最终成型件内部的区域D和区域E都获得了高于A区域的位错密度，从而提高了材料的力学性能。在层间锤击工艺下试件内部产生了大量位错，形成了位错缠结和位错滑移并且生成了大量亚晶和孪晶，生成的位错和孪晶有利于提高材料的力学性能。
图5. TEM图（a）DED区域；（b）FG区域；（c-f）CG区域 经过层间锤击后Laves相的尺寸明显降低，在再结晶发生时Laves相发生回溶从而含量明显降低，在D区域和E区域的Laves相经过多次锤击和热输入的影响下含量明显低于A区域，这促进了材料强度的提高和强化相γ”相的析出。 图7.γ”相TEM图
如图8所示，在纵向拉伸时其断裂位置主要发生在FG区，在横向拉伸时FG区发生韧性断裂，在CG区发生脆性断裂，并且其裂纹源主要产生在FG区与CG区的交接位置处。 图8.断口形貌
经过层间锤击后试件的显微硬度相比于DED试件得到明显提高，在层间锤击试件内部由于CG区具有较高的位错密度因此具有更高的硬度。 
图9.显微硬度
经过层间锤击后试件的强度和塑性均得到了明显的提高，横向拉伸的极限强度提高到了1075Mpa，这是位错强化、细晶强化、固溶强化和异质结构强化共同作用的结果。并且纵向拉伸时的塑性也得到了显著提高，其主要是由于晶粒细化的影响。 三、机理分析
在DED过程中由于具有较大的温度梯度从而生成粗大柱状晶，同时高冷却速率使得试件内部产生稀疏的位错。晶粒经过锤击后发生碎化，晶粒的生长方向受到锤击的影响发生改变从而织构强度减弱；锤击作用使得晶粒内部产生高位错密度，高密度的位错发生缠结形成亚晶，亚晶的形成使得小角度晶界占比提高。在重熔区下方区域由于沉积带来的热输入发生再结晶生成了细小的等轴晶，再结晶的发生消耗了大量位错使得位错密度降低。在后续工艺过程中激光沉积与锤击工艺交替进行，经过N次循环后最终在成形件内部形成粗晶区和细晶区交替分布的晶粒形貌。 
在激光沉积Inconel718合金的凝固过程中在枝晶间形成长链状或块状Laves相。在沉积表面进行锤击，锤击带来大量动能使得Laves相发生碎化，由链状变为颗粒状。在锤击表面进行新的一层能量沉积过程中引入大量热量使得新沉积层下方达到了Laves相的溶解温度，并且Laves相碎化后具有更高的比表面积更容易发生溶解，同时再结晶的发生也促进了Laves相的溶解。析出的Laves相在后续工艺过程中要继续受到热输入与锤击作用的影响，因此Laves相会继续发生尺寸减小与回溶现象，最终在达到稳定状态时Laves相尺寸与含量进一步减小。同时在后续沉积所带来的热循环过程中逐渐达到了γ"相的析出温度并且Laves相大量回溶入基体增加了基体内部强化元素Nb的含量，又因为Nb是γ"相的主要元素，因此促进了基体向γ"相的析出。 
因为CG区比FG区具有更高的硬度值,所以在异质结构的水平拉伸变形过程中，硬度较低的FG区首先发生塑性变形，而硬度较高的CG区保持弹性，异质结构引起的强化机制是由不均匀变形引起的。在弹塑性变形阶段，几何必需位错(GNDS)受阻并在边界堆积，导致FG区域产生长程内应力，也称为背应力。如图13所示，在施加的剪切应力τa作用下，FG区域存在一个与区域边界相对的GND堆积。在堆积体前端，存在一个nτa的应力集中，其中n表示堆积体中堆放的GND数量。这种应力集中作用于边界另一侧的CG区域被称为前向应力。背应力和前应力随着离区域边界距离的变化具有不同的变化趋势。这种差异导致了观察到的异质形变诱导(HDI)强化和HDI应变硬化。HDI强化提高了屈服强度，而HDI应变硬化有助于保持和提高延展性。
四、结论
1）通过引入层间锤击工艺，最终获得了CG区和FG区交替分布的异质结构。CG区和FG区的平均晶粒尺寸分别减小到了68.9μm和12μm，其织构强度分别降低到了8.75和2.89。2）经过锤击和再溶解后Laves相的尺寸明显减小，CG区和FG区Laves相的含量分别降低到0.47% 和0.26%。Laves相的溶解增加了基体中强化元素的含量从而促进了γ”相的析出。3）经过层间锤击后，试样沿水平方向的拉伸强度增加到1075 MPa，伸长率增加到17%。位错强化和固溶强化提高了试样的强度，细晶强化提高了试样的强度和塑性。4）由于异质结构中的CG区域比FG区域具有更高的硬度，因此试样在水平拉伸过程中得到异质强化，从而提高了塑性，并贡献了60 MPa以上的屈服强度。 
