论文标题：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

论文链接：https://www.mdpi.com/2674-063X/5/1/5

期刊名：Alloys

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

文章导读

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不可替代的应用价值，金属粉末电弧选区熔化（Selective Arc Melting, SAM）技术为该类材料复杂构件的高效制备提供了新路径。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，重点探究了两种材料沉积轨迹的侧壁边缘特征形成差异，揭示了熔池材料来源机制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高温合金基复合材料的工艺参数优化、表面缺陷控制提供了重要的理论支撑与实验依据，对推动增材制造技术在高端复杂构件制造中的工程化应用具有重要的科学意义。

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、表面形貌检测等多手段，系统开展了TiC颗粒添加对成形件宏观尺寸、微观结构、熔凝动力学及表面缺陷形成机制的研究，从粉末熔化、熔池演化、边缘成形到表面高度差成因等方面分析了两种材料在增材过程中的差异化行为规律。在宏观成形形貌层面，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合金薄壁件侧壁分布大量直径1~2 mm的半球形凸起并劣化了表面质量；而TiC/Inconel 718复合材料薄壁件侧壁仅存在少量微小凸起，经白光干涉仪对侧壁表面粗糙度进行定量检测，其侧壁表面粗糙度显著低于Inconel 718成形件，展现出更优异的表面成形精度。微观组织分析表明，两种材料成形件的内部结构存在本质差异。Inconel 718成形件微观组织以沿成形方向定向生长的柱状枝晶为主体，枝晶间分布着富Nb、Mo、Ti的链状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细小碳化物颗粒，EDS能谱证实其主要元素为Ti、Nb、Mo、C，为初始添加的TiC颗粒熔化后原位析出的碳化物相，且复合材料内部几乎无链状Laves相生成，微观组织均匀性显著提升。

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，研究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合金熔池材料主要依赖周围熔滴的质量输运，呈现“熔滴形成—体积增大—趋近熔池—并入熔池”的周期性循环，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，使单位扫描长度内熔料体积分布更均匀。针对侧壁边缘特征差异，研究进一步分析了其形成机制。Inconel 718合金加热区边缘熔滴因热输入不足流动性极差，接触熔池边缘后原位凝固形成初始凸起，后续周边粉末熔化形成的熔滴持续在凸起处冷却堆积，最终形成半球形凸起缺陷；而TiC/Inconel 718复合材料熔滴接触熔池后，内部大部分熔料可顺利流入熔池，熔滴体积缩小后冷却，最终形成相对平整光滑的边缘形貌。同时，研究定量揭示了成形表面高度差的成因，即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内并入6个熔滴，熔料总体积达0.59 mm³；较低区域仅并入5个熔滴，体积仅0.22 mm³。大熔滴并入会引发熔池波动，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，反之则熔料均匀铺展，形成平整表面。

综上，该研究通过多尺度观测与定量分析，明确了金属粉末电弧选区熔化过程中 TiC 添加对 Inconel 718 合金熔凝行为、微观组织及表面质量的调控机制，阐明了侧壁凸起与表面高度差的形成根源，为高温合金基复合材料电弧选区熔化增材制造的工艺优化、缺陷控制及性能提升提供了重要实验依据与理论支撑

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

研究总结

本文通过金属粉末电弧选区熔化方法制备Inconel 718及TiC/Inconel 718复合材料薄壁件，系统研究了成形件的微观结构特征，结合高速摄影技术揭示了两种粉末的熔化与凝固过程，阐明了成形件侧壁形貌演化规律及表面高度差的形成机制。研究结果表明，在相同工艺参数下，两种材料的薄壁件呈现出显著的尺寸与侧壁形态差异：相较于Inconel 718成形件，TiC/Inconel 718复合材料成形件的成形宽度更小，且侧壁无Inconel 718成形件侧壁较多分布的毫米级半球形凸起，表面质量更优。熔凝行为研究显示，两种粉末的熔化与凝固特性存在本质差异。Inconel 718熔池材料主要来源于周围熔滴的质量传输，呈现周期性熔滴形成与熔池融合的过程，伴随强烈的熔池波动；而TiC/Inconel 718复合材料的熔池材料主要来自电弧中心区域下方的粉末熔化。TiC的加入改变了熔融合金的物理性能并提高了熔池稳定性，使单位扫描长度的熔敷体积更均匀并因此降低了成形表面高度差。关于侧壁凸起的形成机制，Inconel 718加热区边缘的熔滴因热输入较低导致流动性不足，与熔池边缘接触后原位凝固形成初始凸起，后续周边粉末熔化形成的熔滴冷却堆积，最终形成半球形凸起；而TiC/Inconel 718复合材料的熔滴接触熔池后，内部大部分熔液可顺利流入熔池，凝固后形成光滑的边缘特征。对于表面高度差的成因，研究结果表明相同时间内熔敷轨迹中凝固熔液的体积差异是核心因素。粉末熔化过程中随机形成的大尺寸熔滴一方面会增加局部区域的熔敷体积，导致成形高度局部升高；另一方面，大尺寸熔滴与熔池的融合会引发熔池波动，在电弧中心后方形成局部峰值，加剧熔池加热不均及马兰戈尼对流，进一步促进局部凸起的形成。本研究系统揭示了金属粉末电弧选区熔化制备Inconel 718和TiC/Inconel 718薄壁件的成形机制、微观结构演化及表面质量调控规律，明确了TiC添加对成形性能的优化作用，为高温合金基复合材料的增材制造工艺优化、表面质量控制及高性能构件的工程应用提供了重要的理论依据与实践参考。

期刊介绍

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、高温性能而设计的合金；储氢和磁性；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；合金特性和性能，例如强度、疲劳、腐蚀、磨损和成型性等。期刊已经被Scopus, DOAJ, CNKI等数据库收录。

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期刊主编：

Prof. Dr. Nikki Stanford, Adelaide University, Australia

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Alloys目前已经被Scopus、CNKI等数据库收录。期刊2025年最新CiteScore为4.1，在Metals and Alloys, Engineering (miscellaneous) 和 Materials Science (miscellaneous) 三个领域均排在Q2分区。

- 更快发表速度

与传统的订阅和印刷期刊相比，Alloys通常能更快地在线发表被接收的文章。

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