因瓦合金（Invar 36）是一种镍元素含量为36%的铁镍合金，其在居里温度（230°C）以下具有极低的热膨胀系数（< 2.0 ppm/°C），这种反常的现象被称为因瓦效应。正是因为这一独特的特性，因瓦合金被广泛应用于对精度和尺寸稳定性具有极高需求的工程结构中，比如精密仪器仪表、钟表游丝、双金属片、大地谐振仪、卫星支架、光学望远镜支架、复合材料模具和液化天然气运输船等。然而，因瓦合金的高延展性和低热导率，导致其传统的机械加工性能较差，严重限制了其应用。目前，快速发展的激光粉末床熔融（LPBF）工艺为因瓦合金的制备提供了一种有效途径。然而LPBF工艺中引入了独特的微观组织结构以及不可避免的孔隙缺陷，这将极大程度地降低因瓦合金的力学性能。因此，有必要研究LPBF工艺下因瓦合金的力学行为，并进一步探索其微观结构和孔隙缺陷对力学行为的影响规律。

近期，湖南大学韦凯与北京理工大学曲兆亮研究团队在方岱宁院士的指导下采用LPBF工艺制备了因瓦合金，首次利用原位X射线断层扫描技术对其拉伸力学行为进行了深入研究，并建立了LPBF制备的因瓦合金其工艺参数-微观结构（微观组织和孔隙缺陷）-力学性能的关联规律，对实现LPBF工艺制备的因瓦合金在航空航天等领域的广泛应用具有重要意义。该研究成果以“In-situ X-ray computed tomography tensile tests and analysis of damage mechanism and mechanical properties in laser powder bed fused Invar 36 alloy”为题发表于期刊《Journal of Materials Science & Technology》。

原文链接：https://doi.org/10.1080/17452759.2023.2190901

图1. 不同LPBF工艺参数下制备的因瓦合金显微组织：（a-c）EBSD-IPF图，（d-f）EBSD-KAM图，和（g-i）EBSD-相图。

图2. 不同LPBF工艺参数下制备的因瓦合金样件内部缺陷：（a, d, g）三维形貌和分布，（b, e, h）相对频率，和（c, f, i）球形度分析。

图3. 不同LPBF工艺参数下制备的因瓦合金样件的原位拉伸应力-应变曲线和标距段的变形演化（a）Ev=74.1J/mm3，（b）Ev=148.2J/mm3，（c）Ev=185.3J/mm3，和（d）各样件强度与延伸率的对比图。

图4. 原位拉伸试验中激光能量密度Ev=74.1J/mm3下制备样件标距段内的孔隙缺陷演化（图中半透明的灰色表示实体部分，蓝色表示孔隙缺陷，黄色表示导致失效的缺陷或裂纹）以及在XOZ和YOZ截面中观察到的裂纹扩展。扫描1是在施加载荷前获得的初始阶段，扫描2和3是在拉伸加载过程中获得的。

图5. 原位拉伸试验中激光能量密度Ev=148.2J/mm3下制备样件标距段内的孔隙缺陷演化（图中半透明的灰色表示实体部分，蓝色表示孔隙缺陷，黄色表示导致失效的表面凹陷和裂纹）以及在XOZ和YOZ截面中观察到的裂纹扩展。扫描1是在施加载荷前获得的初始阶段，扫描2-5是在拉伸加载过程中获得的。

图6. 原位拉伸试验中激光能量密度Ev=185.3J/mm3下制备样件标距段内的孔隙缺陷演化（图中半透明的灰色表示实体部分，蓝色表示孔隙缺陷，黄色表示导致失效的表面凹陷和裂纹）以及在XOZ和YOZ截面中观察到的裂纹扩展。扫描1是在施加载荷前获得的初始阶段，扫描2-5是在拉伸加载过程中获得的。

图7. 原位拉伸试验中裂纹体积、平均等效直径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。

图8. 不同LPBF工艺参数下制备的因瓦合金样件断口形貌：（a-c）CT形貌展示了裂纹源位置以及裂纹扩展方向，（d-f）SEM形貌展示了裂纹源位置以及裂纹扩展区域，（g-i）高倍SEM形貌展示了解理断裂以及韧窝。

本研究深入分析了LPBF工艺下因瓦合金的原位拉伸力学行为。研究表明，较低激光能量密度会导致样件中有许多不规则的细长欠融化孔隙，这些孔在拉伸过程中加速了裂纹扩展与合并，最终导致了样件的快速失效。而对于充足和过高的激光能量密度下制备的样件，其内部仅有少量球形度较高的冶金气孔和匙孔。这些孔在拉伸过程中对损伤演化的影响较小。此外，还建立了LPBF制备的因瓦合金其工艺参数-微观结构（微观组织和孔隙缺陷）-力学性能的关联规律。低的激光能量密度会导致样件内高体积分数的欠融化孔隙，从而导致相对较低的屈服强度和延展性。而对于没有欠融化孔隙的样件，其力学性能优异，且随着的激光能量密度的增大会导致较大的晶粒尺寸和较低的位错密度，最终会略微降低合金的屈服强度但略微增强其延展性。上述发现将为因瓦合金的LPBF工艺参数优化以及其工程应用提供重要的基础和指导。