Inconel 718合金作为一种镍基高温合金，在航空航天等领域具有广泛的应用。激光金属沉积（LMD）技术以其快速沉积速率和高密度，成为制造和修复复杂金属结构部件的重要手段。然而，LMD过程中的复杂热力学行为对部件的尺寸、微观结构和性能产生显著影响，因此，研究Inconel 718合金在LMD过程中的热力学行为对于提高部件的质量和性能至关重要。来自沈阳工业大学的研究者们建立了有限元法和元胞自动机(CA)法相结合的多尺度模型，对Inconel 718合金激光金属沉积(LMD)过程中的温度演化、应力演化和枝晶生长进行了模拟。研究者利用温度场结果提取熔池深度方向的温度历史，建立熔池热行为与凝固参数之间的关系，预测熔池深度方向和相邻珠重叠区域的凝固微观结构的形态、尺寸和元素偏析。研究表明，在高冷却速率和低形状控制因子条件下，等轴晶粒易于形成，该区域元素偏析程度较低，有利于颗粒状Laves相的析出。相反，在低冷却速率和高形状控制因子条件下，更可能形成柱状晶粒，该区域元素偏析程度较高，导致链状Laves相的析出。热力耦合模拟结果表明，最大瞬态热应力位于重叠位置，当组件冷却至室温时，沿扫描方向的最大正应力被观察到。晶枝生长结果表明，在熔池顶部区域的等轴晶粒生长过程中，释放的溶质受时间和空间限制，导致溶质积累和晶间偏析的形成。在晶粒密度较高的区域，溶质积累区域重叠，导致溶质浓度增加，抑制了晶枝生长。在熔池中部区域，柱状晶粒生长过程中，相邻晶粒间隙中的溶质浓度不断增加，导致微观偏析现象。实验测量显示，温度场的熔池形态、沿扫描路径的应力值和晶枝形态与实验结果吻合良好。![]()
图1 不同模拟时间的温度场分布。(a) t =
1s；(b) t = 3.5s；(c) t = 6s。
![]()
图2 瞬态热应力演化规律。
![]()
图3 残余应力的分布。(a) Von Mises等效应力(b) σx, (c) σy, (d) σz。
![]()
图4 模拟与实验枝晶形貌的对比。(a)顶部实验形貌；(b)顶部模拟形貌；(c)中部实验形貌；(d)中部模拟形貌。
研究通过多尺度模型模拟了Inconel 718合金在LMD过程中的热力学行为，详细模拟了枝晶生长形态和溶质分布，并探讨了熔池凝固特性与凝固微观结构之间的映射关系。研究揭示了在不同冷却速率下等轴晶和柱状晶的生长模式以及溶质的分布模式，为材料微观结构和性能的定制提供了理论支持。相关研究成果以“Thermodynamic behavior and
microstructure evolution of Inconel 718 alloy by laser metal deposition”为题发表在International Journal of Heat and Mass Transfer 236 (2025) 126330上，论文第一作者和通讯作者为Kai Zhang。论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.126330
