国仪量子扫描电镜助力增材制造高性能因瓦合金微观结构分析

2026-05-22 11:25:59, CIQTEK 国仪量子技术（合肥）股份有限公司

——兰州理工大学石玗教授团队《Journal of Materials Processing Tech.》：同轴热丝激光金属丝沉积技术实现因瓦合金稳定高效制造！

因瓦合金（Fe-36Ni）因其在极宽温度范围内具有极低的热膨胀系数（CTE）和出色的尺寸稳定性，被广泛应用于对热变形敏感的航空航天结构件、高精度模具和卫星光学平台中。随着组件向大型化、薄壁化和复杂几何形状发展，传统的制造方式面临挑战。金属增材制造（AM）提供了一条高效净成形的新途径，然而，传统的丝材增材制造在连续沉积过程中，固有的热量累积通常会引发工艺不稳定，从而阻碍了连续、不间断制造的实现。

针对上述问题，兰州理工大学有色金属先进加工与再利用国家重点实验室石玗教授团队借助国仪量子场发射扫描电镜（SEM5000X）等设备进行了深入研究。研究团队探讨了同轴热丝激光金属丝沉积技术（HW-LMWD）的潜力，通过精确定义“临界熔化状态”，并提出基于“恒定激光功率与热丝电流反馈调控”的新型主动控制策略，成功解决了热积累瓶颈。该技术实现了高度稳定且不中断的增材制造，制备出了具有优异力学性能和超低热膨胀系数的因瓦合金薄壁件。该研究以题为“Stable coaxial hot-wire laser metal wire deposition of high-performance invar alloy through critical melting state control and thermal feedback regulation”的研究论文，发表在制造领域国际权威期刊《Journal of Materials Processing Tech.》上。

突破热量累积瓶颈：实现稳定液桥过渡

研究团队首先确定了激光焦点位于基板表面（0 mm）是实现稳定液桥过渡的关键前提。通过结合高速摄像与红外热成像技术，精确定义了丝材的“临界熔化状态”，并建立了送丝速度与激光功率之间的数学模型，以确保能量耦合的精确匹配。针对连续沉积过程中热积累这一根本瓶颈，团队提出了一种基于“恒定激光功率与热丝电流反馈调控”的新型主动控制策略。该机制通过动态补偿热波动以维持持续的能量平衡，从而实现高度稳定且不中断的增材制造过程。

图1. 沉积过程中的临界熔化状态与热反馈控制模型

扫描电镜揭示微观组织与NbC析出强化机制

除了工艺稳定性的突破，沉积态合金的内部微观结构更为关键。研究团队利用国仪量子场发射扫描电镜（SEM5000X）对样品的微观形貌及析出相进行了高分辨率表征。扫描电镜及EDS能谱图像清晰地揭示了沉积组织表现为致密、无缺陷的奥氏体基体，其晶界及枝晶间区域分布有细小的球状或椭球状NbC析出相。这些纳米级的NbC析出相不仅通过钉扎晶界有效抑制了增材制造高热输入过程中的晶粒粗化，还在受力时通过Orowan绕过机制显著强化了基体，这也是避免合金产生微观缺陷并提升性能的核心机制。

图2. 扫描电镜下因瓦合金的微观组织形貌与NbC析出相的定量表征

卓越的力学性能与超低热膨胀系数

得益于扫描电镜下观察到的晶粒细化与Orowan析出强化机制，沉积态合金表现出优异的力学性能。水平方向（TD）的抗拉强度高达652 MPa，处于目前已报道增材制造因瓦合金的最高水平之一；垂直方向（BD）的抗拉强度也达到了546 MPa 。同时，微观结构的优化及内应力的释放，使得该合金能够抵消部分热膨胀，其最低热膨胀系数（CTE）保持在商业级水平，仅为 1.93 × 10^-6 K^-1。