基于焊接的鎳基高溫合金增材再制造技術解析(2)
2 組織與性能
基于焊接的增材再制造成形技術是一個受多參 數影響的復雜焊接過程：熱源能量輸入、 CAD模型掃描數據、焊接路徑規劃，都會對微觀組織的形態、 晶粒生長方式、晶界夾雜以及偏析等產生影響，進而影響鎳基高溫合金的整體性能。國內外學者對此作了大量深入的比較研究。
2．1 成形件組織特征
何紹華利用Inconel718合金通過LDF得到了成形件，對其沉積態組織進行深入分析得出：熔覆層組織是由具有方向性生長的柱狀枝晶組成，生長 方向為由基體向外，并且在枝晶間有Mo、Nb等元素的偏析及少量碳化物生成，這對基體的拉伸強度產 生不良影響，試驗測得沉積態試樣室溫情況下的拉伸強度不足變形合金的50%；而經過熱處理工藝后，晶粒被細化，消除了部分枝晶偏析，較好地提高了試件的屈服強度和抗拉強度。這與美國Dinda等的研究結果相似，后者發現沉積態柱狀晶能夠定向生長，為沿著沉積軌跡高度向上。不同的熔池 冷卻速率是導致成形件從下到上組織不均勻的原 因，如圖3所示。同時，Dinda等研究發現：在熱處理時，在1200℃的溫度下柱狀枝晶能夠轉變成等軸晶，且在700℃下γ'和γ″相的析出使試樣的顯微硬度增高。
圖3 鎳基高溫合金激光快速成形沉積態組織特性
徐富家采用PAＲ成形了Inconel625薄壁零件，如圖4所示，結果表明從底部到頂部組織呈現不 同的形態特點：
1）底部組織呈現細小的胞狀晶，沒有發達的二次枝晶；
2）中部組織為明顯的胞狀枝晶形態， 并且枝晶間距增大；
3）在試樣上部出現了較為發達的二次橫枝，枝晶間距明顯增大；
4）在試樣頂部則出現了由柱狀晶向等軸晶轉變的過渡區。
文獻作者研究發現：在增材再制造過程中，溫度梯度增加、冷卻速度增大、熱輸入量減小都可以使組織形核率增大，從而使晶粒變得十分細小，也使整體組織更為細密，試驗測得這種情況下成形件的拉伸力學性能有所提升。上述研究結果表明：冷卻速率和熱輸入量的變化是沉積態組織柱狀枝晶形成的原因，且大多都是定性的描述，對枝晶的大小、分布及間距與冷卻速率和熱輸入的定量關系研究較少。
2．2工藝參數對組織性能的影響
2．2．1 掃描路徑
烏日開西·艾依提采用PAＲ技術研究了不 同掃描路徑對成形件力學性能的影響， 結果發現：沿掃描路徑平行方向的試件抗拉強度高于其他方向，且塑性最優，這表明成形件在宏觀上具有各向異性。席明哲等采用多向組合方式（不同方向交替熔 覆）得出的試樣則表現出各向同性，試件的抗拉強度優于焊絲， 而前者塑性低于焊絲。Liu等根據不同沉積路徑的變化對Inconel718合金LDF組 織及性能進行了系統研究，結果發現：單一沉積路徑和變化沉積路徑得到的試樣抗拉強度相當，但是前者的延伸率明顯低于后者。在特定路徑條件下，增材再制造所得的成形件在性能上呈現出各向異性，因此垂直于成形方向上增材部分與基體結合處的力學性能研究就顯得尤為重要，但目前國內在此方面的研究較少。
2．2．2 熱輸入
費群星等研究了LDF不同工藝參數對試件 組織和性能的影響，結果發現：
1）沿沉積方向的重熔區截面呈片狀，多為柱狀晶，且晶粒向上呈放射狀生長；
2）當加大激光功率、增加熱輸入量時，可觀察到晶粒的跨層生長現象，重熔區厚度顯著增大；
3）過高的功率會使熱積累加大，從而使試樣產生織構，柱狀晶外側界面容易產生熱裂紋。
Ganesh等 在 研究工藝參數對成形性能影響時發現：工藝參數可影響沉積效率，促使組織形態發生明顯變化，形成柱狀枝晶和胞狀晶的混合形態。徐富家等研究峰值電流、脈沖頻率、焊接速度和送絲速度對PAＲ成形件組織性能影響時發現：低峰值電流和高焊接速度可獲得細小致密的枝晶組織，析出的Laves相和金屬碳化物呈彌散分布特征；增大脈沖頻率或降 低送絲速度會使組織粗大，Laves相和金屬碳化物增多， 且呈連續分布特征。上述研究結果反映了增材再制造過程中循環熱輸入產生的熱積累效應對成形件組織與性能的影響 規律，但是均采用定性描述，缺乏對熱積累效應的定 量研究。
2．2．3冷卻速度
由于GTAW熱輸入量較小、能量密度較低，因此成形件受熱過程中冷卻速度低于PAＲ、LDF。王威等系統研究了不同冷卻速度對Inconel718合 金碳化物、Laves相析出規律的影響，如圖5所示。上述結果表明：
1）冷卻速度較低時，碳化物呈 鏈狀分布在枝晶間，呈大塊狀相連；
2）隨著冷卻速度的加快， 碳化物逐漸向小塊狀轉變，尺寸也隨之減小；
3）聚集狀態類似于碳化物，而隨著冷卻速度的加快，呈彌散分布且尺寸逐漸減小 。
Yin等提 出碳化物的析出量和析出形態均會對合金的力學性 能產生重要影響，彌散分布且尺寸較小的碳化物形貌更優。當Laves相尺寸每減小1μm時，室溫斷面收縮率就可提高2．5% 。目前還無相關報道證明 完全消除Laves相是可行的，因此探討工藝參數對Laves相尺寸數量的定量影響關系具有重要意義。
3 發展與展望
針對增材再制造技術工藝及組織性能的特點， 未來研究熱點將集中在以下方面：
1）提高成形件精度，減小熱影響區。引入脈沖 工藝，通過調控峰值電流、基值電流、脈沖頻率、占空 比等工藝參數，準確控制增材再制造熱輸入量及冷卻速率，從而較好地控制熔池尺寸， 提高成形精度。
2）優化成形件組織。
一是研究枝晶的大小、分布及間距與冷卻速率和熱輸入的定量關系；
二是研究垂直于成形方向上增材部分與基體結合處的力學性能，避免各向異性帶來的不利影響；
三是研究再制造過程中循環熱輸入產生的熱積累效應對成形件組 織與性能的影響規律，降低有害Laves相的析出，從而提高成形件的力學性能。
作者：王凱博，呂耀輝，徐濱士，孫 哲 （裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室）
(責任編輯：admin)
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