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（< 2.0 ppm/°C），這種反常的現象被稱為因瓦效應。正是因為這一獨特的特性，因瓦合金被廣泛應用于對精度和尺寸穩定性具有極高需求的工程結構中，比如精密儀器儀表、鐘表游絲、雙金屬片、大地諧振儀、衛星支架、光學望遠鏡支架、復合材料模具和液化天然氣運輸船等。然而，因瓦合金的高延展性和低熱導率，導致其傳統的機械加工性能較差，嚴重限制了其應用。目前，快速發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工藝中引入了獨特的微觀組織結構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性能。因此，有必要研究LPBF工藝下因瓦合金的力學行為，并進一步探索其微觀結構和孔隙缺陷對力學行為的影響規律。

近期，湖南大學韋凱與北京理工大學曲兆亮研究團隊在方岱寧院士的指導下采用LPBF工藝制備了因瓦合金，首次利用原位X射線斷層掃描技術對其拉伸力學行為進行了深入研究，并建立了LPBF制備的因瓦合金其工藝參數-微觀結構（微觀組織和孔隙缺陷）-力學性能的關聯規律，對實現LPBF工藝制備的因瓦合金在航空航天等領域的廣泛應用具有重要意義。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工藝參數下制備的因瓦合金樣件內部缺陷：（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工藝參數下制備的因瓦合金樣件的原位拉伸應力-應變曲線和標距段的變形演化（a）Ev=74.1J/mm3，（b）Ev=148.2J/mm3，（c）Ev=185.3J/mm3，和（d）各樣件強度與延伸率的對比圖。

圖4. 原位拉伸試驗中激光能量密度Ev=74.1J/mm3下制備樣件標距段內的孔隙缺陷演化（圖中半透明的灰色表示實體部分，藍色表示孔隙缺陷，黃色表示導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. 原位拉伸試驗中激光能量密度Ev=148.2J/mm3下制備樣件標距段內的孔隙缺陷演化（圖中半透明的灰色表示實體部分，藍色表示孔隙缺陷，黃色表示導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. 原位拉伸試驗中激光能量密度Ev=185.3J/mm3下制備樣件標距段內的孔隙缺陷演化（圖中半透明的灰色表示實體部分，藍色表示孔隙缺陷，黃色表示導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展方向，（d-f）SEM形貌展示了裂紋源位置以及裂紋擴展區域，（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行為。研究表明，較低激光能量密度會導致樣件中有許多不規則的細長欠融化孔隙，這些孔在拉伸過程中加速了裂紋擴展與合并，最終導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-微觀結構（微觀組織和孔隙缺陷）-力學性能的關聯規律。低的激光能量密度會導致樣件內高體積分數的欠融化孔隙，從而導致相對較低的屈服強度和延展性。而對于沒有欠融化孔隙的樣件，其力學性能優異，且隨著的激光能量密度的增大會導致較大的晶粒尺寸和較低的位錯密度，最終會略微降低合金的屈服強度但略微增強其延展性。上述發現將為因瓦合金的LPBF工藝參數優化以及其工程應用提供重要的基礎和指導。