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增材制造（AM）技术因其能够高效地生产与修复复杂形状零部件，尤其是在航空发动机中使用的镍基高温合金部件，而备受瞩目。其中，激光定向能量沉积（L-DED）作为一种金属增材制造技术，凭借其能够制造远大于粉末床熔融技术所能处理的部件尺寸，近年来在诸多行业得到了广泛应用。IN718作为一种常用的镍基高温合金，因其优异的焊接性能、可加工性以及高强度、抗腐蚀性、高温下稳定的显微组织等特性，被广泛应用于制造飞机发动等关键工程部件。然而，尽管IN718在传统制造工艺中表现优异，但在L-DED过程中，由于其复杂的内部热分布特性，导致在打印过程中难以有效控制并实现γ'、γ''、δ等重要沉淀相的形成。对于这种复杂微观结构演变过程及其与材料性能间关系的全面理解，至今仍面临较大挑战，尤其是实时观测这些相变过程，通常需要复杂的在线测量设备和技术。
该研究采用MatCalc全程热力学模型辅助物理Gleeble模拟的方法以解决这一难题。热力学模型提供了一种替代在线观测的策略，通过物理模拟与热动力学建模相结合，系统性地揭示了热循环对IN718固态微观结构演化的影响。实验设计上，精确模拟了L-DED过程中IN718所经历的实际热循环条件。研究发现，虽然在临界温度下的短暂保温导致晶粒形貌变化较小，但确实引起了塑性应变的累积。更重要的是，实验清晰揭示了热循环如何调控γ'、γ''、δ等相的演化过程：较高的初始峰值温度会抑制这些相的析出，而延长热循环并在逐渐降低的峰值温度下进行，则有利于这些相的有效析出。具体表现为，δ相主要沿晶界和孪晶界形成，而γ′和γ''相倾向于在富铌（Nb）的区域析出，由此导致材料硬度的非均匀分布。
实验结果不仅验证了物理模拟方法在再现高温合金增材制造过程中的有效性，更凸显了其作为研究工具的巨大潜力，有望推动当前对增材制造过程中微观结构与性能演变关系的有限认知向深度和广度拓展。
相关研究成果以题为“Thermal cycle induced solid-state phase evolution in IN718 during additive manufacturing: A physical simulation study”的论文发表在《Journal of Alloys and Compounds》上。
图1 . ( a )用于Gleeble试验的试样示意图及尺寸。两个红点表示热电偶所连接的区域。( b )研究采用的Gleeble 3500热模拟机的试验箱实物图。( c )目标(黑色)与实际(红色) Gleeble热循环对比图。( d ) c图中模拟的L-DED构建示意图。
图2. 原样与Gleeble处理样品显微结构的多相（γ′，γ′，δ和碳化物）演变图。（a）原样，（b）L-11，（c）L11 h，（d）L-8，（e）L-6和（f）L-1。
图3. (a) L-11和(b) L-1的γ基体原子映射图中无聚集和沉淀的迹象，(c) 原样的γ '和γ "存在偏析和沉淀。
图4. MatCalc 对热循环过程中γ′、γ′′、MC型碳化物及δ相演变的预测图:(a) Gleeble模拟器应用的热剖面，(b)相分数，(c)成核速率，(d)沉淀物平均直径，(e)数密度。
-编辑：王云飞-
-审核：张毫杰-
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浙江工业大学
激光先进制造研究院
