研究背景：激光粉末床熔融（LPBF）技术广泛应用于制造航空航天用镍基超合金（如Inconel 718）。然而，由于LPBF工艺中的局部热梯度，导致超合金在微观结构上呈现各向异性，如柱状晶粒织构和不均匀的位错分布。这种各向异性使得材料在不同加载方向（横向TD和建造方向BD）上表现出不同的力学性能。尽管已有研究关注LPBF加工材料的微观结构与力学性能的关系，但在不同加载方向下的变形机制仍未完全揭示。特别是晶粒织构、晶粒取向和几何必需位错（GND）等因素如何影响材料的各向异性变形行为。因此，本文通过开发非局部位错的晶体塑性快速傅里叶变换（CPFFT）模型，并结合实验数据，探讨LPBF加工Inconel 718合金的各向异性变形机制。

研究内容：本文首先通过结合EBSD数据，构建了LPBF加工的Inconel 718合金的初始微观结构，并将其转化为晶体塑性代表体积单元（CPRVE），模拟了晶粒纹理、晶粒尺寸和几何必需位错（GND）对材料变形行为的影响。再采用原位EBSD技术进行单轴拉伸实验，实时观察和记录不同加载方向（TD和BD）下材料的微观结构变化，包括晶粒尺寸、晶体取向、晶界演变和GND密度的变化。通过比较局部（LSC）和非局部（NSC）模型，研究了GND积累、塑性滑移和晶体学取向对材料各向异性变形行为的贡献。定量分析了纹理、晶粒取向、GND积累和晶界对屈服强度、硬化行为及各向异性延展性的影响，揭示了这些微观结构特征如何在不同加载方向上导致材料性能的差异。模拟结果与实验数据对比验证了CPFFT模型在预测变形行为、微结构演化和硬化效应方面的准确性。

研究结果表明，晶粒取向和纹理对材料的变形行为和力学性能具有重要影响，非局部CPFFT模型能够有效捕捉到材料的各向异性变形机制，为进一步优化LPBF加工超合金的性能提供了理论依据。

图1. 通过EBSD数据构建的CPRVE，能较好还原实验样品的初始织构。

图2. 基于CPFFT模拟的IPF图中多晶模型的取向变化：（a和b）分别为S1的初始IPF-TD图和IPF-BD图。（c和d）分别为15%拉伸后局部和非局部多晶模型在TD方向的IPF-TD图。（e和f）分别为15%拉伸后局部和非局部多晶模型在BD方向的IPF-BD图。

图3. 实验中GND密度演化。（a-d）S1在TD载荷作用下、应变分别为0%、5%、10%和15%时的原位GND分布。（e-h）S2在BD载荷作用下的相应数据。（i和j）S1和S2中GND的正态分布。

图5. GND密度的各向异性分布（a-d）在TD方向加载时，S1的NPC模型在0%、5%、10%和15%的名义应变下，单轴拉伸的GND空间分布。（e-h）BD加载的相应数据。这揭示了GND随晶界浓度的积累和局域化程度的增加。

图6. 选取特征晶粒构建单晶模型

图7. 所有PC和SC模型的应力-应变曲线。(a) 整体LPC和NPC曲线。(b-d) 分别在TD和BD加载下，晶粒取向为(<110>/ / TD)、(<111>/ / TD)和(<001>/ / TD)地 LSC和NSC模型。这些对比量化了PC取向和微观结构效应对拉伸强度及其各向异性的贡献。

主要结论：本研究通过开发非局部位错的晶体塑性快速傅里叶变换（CPFFT）模型，并结合原位EBSD实验，深入探讨了LPBF加工的Inconel 718合金在不同加载方向（TD和BD）上的各向异性变形行为。结果表明，晶粒取向和纹理对材料力学性能具有重要影响，<111>//LD取向的晶粒在TD方向上表现出较强的屈服强度和硬化，而<110>//LD和<001>//LD晶粒具有较好的延展性。GND积累在TD方向的晶界和滑移带内显著增强了硬化效应，非局部CPFFT模型能够有效捕捉这些变形机制，准确预测应力-应变曲线和硬化效应，模拟结果与实验数据高度一致，为优化LPBF加工超合金的力学性能提供了理论依据。

文章信息：相关成果以“Non local crystal plasticity and in-situ EBSD of deformation anisotropy in LPBF-ed Inconel 718”为题发表在International Journal of Mechanical Sciences (Volume 310, 16 December 2025, 111136)，论文共同第一作者为上海交通大学Maziar Toursangsaraki博士和西南交通大学博士生唐瑞林，共同通讯作者为上海交通大学董安平教授、杜大帆副教授和西南交通大学张旭教授。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2025.111136