國儀量子掃描電鏡助力增材制造高性能因瓦合金微觀結構分析

 ——蘭州理工大學石玗教授團隊《Journal of Materials Processing Tech.》：同軸熱絲激光金屬絲沉積技術實現因瓦合金穩定高效制造！

因瓦合金（Fe-36Ni）因其在極寬溫度范圍內具有極低的熱膨脹系數（CTE）和出色的尺寸穩定性，被廣泛應用于對熱變形敏感的航空航天結構件、高精度模具和衛星光學平臺中 。隨著組件向大型化、薄壁化和復雜幾何形狀發展，傳統的制造方式面臨挑戰 。金屬增材制造（AM）提供了一條高效凈成形的新途徑，然而，傳統的絲材增材制造在連續沉積過程中，固有的熱量累積通常會引發工藝不穩定，從而阻礙了連續、不間斷制造的實現。

針對上述問題，蘭州理工大學有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室石玗教授團隊借助國儀量子場發射掃描電鏡（SEM5000X）等設備進行了深入研究 。研究團隊探討了同軸熱絲激光金屬絲沉積技術（HW-LMWD）的潛力，通過精確定義“臨界熔化狀態"，并提出基于“恒定激光功率與熱絲電流反饋調控"的新型主動控制策略，成功解決了熱積累瓶頸 。該技術實現了高度穩定且不中斷的增材制造，制備出了具有優異力學性能和超低熱膨脹系數的因瓦合金薄壁件 。該研究以題為“Stable coaxial hot-wire laser metal wire deposition of high-performance invar alloy through critical melting state control and thermal feedback regulation"的研究論文，發表在制造領域期刊《Journal of Materials Processing Tech.》上。

突破熱量累積瓶頸：實現穩定液橋過渡

研究團隊首先確定了激光焦點位于基板表面（0 mm）是實現穩定液橋過渡的關鍵前提 。通過結合高速攝像與紅外熱成像技術，精確定義了絲材的“臨界熔化狀態"，并建立了送絲速度與激光功率之間的數學模型，以確保能量耦合的精確匹配 。針對連續沉積過程中熱積累這一根本瓶頸，團隊提出了一種基于“恒定激光功率與熱絲電流反饋調控"的新型主動控制策略 。該機制通過動態補償熱波動以維持持續的能量平衡，從而實現高度穩定且不中斷的增材制造過程。

圖1. 沉積過程中的臨界熔化狀態與熱反饋控制模型

掃描電鏡揭示微觀組織與NbC析出強化機制

除了工藝穩定性的突破，沉積態合金的內部微觀結構更為關鍵。研究團隊利用國儀量子場發射掃描電鏡（SEM5000X）對樣品的微觀形貌及析出相進行了高分辨率表征 。掃描電鏡及EDS能譜圖像清晰地揭示了沉積組織表現為致密、無缺陷的奧氏體基體，其晶界及枝晶間區域分布有細小的球狀或橢球狀NbC析出相 。這些納米級的NbC析出相不僅通過釘扎晶界有效抑制了增材制造高熱輸入過程中的晶粒粗化，還在受力時通過Orowan繞過機制顯著強化了基體，這也是避免合金產生微觀缺陷并提升性能的核心機制。

圖2. 掃描電鏡下因瓦合金的微觀組織形貌與NbC析出相的定量表征

優異的力學性能與超低熱膨脹系數

得益于掃描電鏡下觀察到的晶粒細化與Orowan析出強化機制，沉積態合金表現出優異的力學性能 。水平方向（TD）的抗拉強度高達652 MPa，處于目前已報道增材制造因瓦合金的高水平之一；垂直方向（BD）的抗拉強度也達到了546 MPa 。同時，微觀結構的優化及內應力的釋放，使得該合金能夠抵消部分熱膨脹，其熱膨脹系數（CTE）保持在商業級水平，僅為 1.93 × 10^-6 K^-1。

圖3. 增材制造因瓦合金的拉伸性能與熱膨脹系數表現

本研究驗證了同軸熱絲激光金屬絲沉積技術制備高性能因瓦合金的可行性，并闡明了工藝—組織—性能之間的內在關聯 。通過精確的熱反饋控制與微觀組織的優化，為高精度連續制造大型薄壁因瓦結構件提供了堅實的理論與技術基礎。