【解析】基于焊接的鎳基高溫合金增材再制造技術(shù)

鎳基高溫合金憑借其耐高溫、耐腐蝕、耐復(fù)雜應(yīng)力等性能，在制作渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)工作葉片、導(dǎo)向葉片、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)以及工業(yè)用燃?xì)廨啓C(jī)等高溫零部件方面具有廣泛的適用性，也因此被稱作“發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟”。但當(dāng)這些零部件在高溫、復(fù)雜應(yīng)力，特別 是在海水中等復(fù)雜環(huán)境下工作時(shí)， 容易產(chǎn)生裂紋、磨損、斷裂和腐蝕等，致使零部件大量報(bào)廢。采用增材再制造技術(shù)對(duì)廢舊零部件“再制造”，可使其價(jià)值得到最大程度的發(fā)揮，獲得巨大的經(jīng)濟(jì)收益 。

增材再制造技術(shù)就是利用增材制造技術(shù)對(duì)廢舊 零部件進(jìn)行再制造修復(fù)：
首先，利用數(shù)字加工的一些原理掃描出零部件的3維數(shù)字模型；
然后，對(duì)數(shù)字模型進(jìn)行后處理，得出缺損部分的3維數(shù)字模型；
最后，通過一層一層向上疊加的方式直接快速加工 出缺損部分。

其建立在數(shù)控CAD/CAE/CAM 、焊接、新材料等已有的成熟技術(shù)基礎(chǔ)之上，核心理念是“逐層疊加、分層成形”。自20世紀(jì)開始，美國就在B-52轟炸機(jī)和M1坦克等軍用裝備上進(jìn)行了增材再 制造， 并將武器系統(tǒng)的更新?lián)Q代和再制造技術(shù)列為國防科技重點(diǎn)研究領(lǐng)域。國內(nèi)也成功地將增材 再制造技術(shù)應(yīng)用在各種軍用裝備上，產(chǎn)生了巨大的 經(jīng)濟(jì)效益 。由于增材再制造技術(shù)本身還不夠成熟，目前研 究尚處于初級(jí)階段，因此存在許多亟待解決的問題。為此，對(duì)基于焊接的增材再制造技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行簡要介紹，通過對(duì)比不同焊接工藝，提出未來發(fā)展的研究熱點(diǎn)。

1 焊接工藝
1．1 鎢極氬弧焊
鎢極氬弧焊（GasTungstenArcWelding， GTAW）是以鎢棒作為電弧一極的氣體保護(hù)電弧焊。其應(yīng)用非常靈活，尤其是與激光熔覆相比，可以更容易地處理銅、鋁、鎂等有色金屬的增材再制造。此外，其弧長及電弧穩(wěn)定性好，焊接電流下限不受焊絲 熔滴過渡等因素制約，最低焊接電流可用到2A。但它自身仍有一些不足：一方面，鎢極的承載能力有 限，過大電流容易使鎢極燒損，從而限制了熔深；另 一方面，隨著電流的增大，鎢極電弧的發(fā)散變得嚴(yán)重，使得熔池成形之后塌陷，嚴(yán)重影響成形質(zhì)量。

影響GTAW工藝的因素主要有焊接電流、鎢極直徑、弧長、電弧電壓及焊速等。其中：焊接電流是決定GTAW焊縫成形的關(guān)鍵參數(shù)，當(dāng)其他條件不變時(shí)，焊接電流的增加可導(dǎo)致電弧壓力、熱輸入及弧柱直徑增加，使焊縫熔深、熔寬增大；弧長范圍通常為0．5～3．0mm，當(dāng)成形件變形小時(shí)，弧長取下限，否則取上限；焊接速度是調(diào)節(jié)GTAW熱輸入和焊道形狀的重要參數(shù)，焊接電流確定后，焊速有相對(duì)應(yīng)的取值范圍，超過該范圍上限，易出現(xiàn)裂紋、咬邊等缺陷。

1．2等離子弧焊
以等離子弧為焊接熱源的增材再制造方法稱為等離子增材再制造（PlasmaAdditiveＲemanufactu-ring，PAＲ）。其中，等離子弧是一種壓縮的鎢極氬弧，鎢極氬弧最高溫度為10000～24000K，能量密 度小于104W/cm2 ，而等離子弧的溫度高達(dá)24000 ～50000K，能量密度可達(dá)106～108W/cm2。依靠噴嘴的機(jī)械壓縮作用，同時(shí)伴隨著最小電壓原理 產(chǎn)生的熱壓縮以及弧柱本身的電磁壓縮，使等離子 弧的能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鎢極氬弧，甚至能夠達(dá)到激光的能量密度 ，圖1為二者電弧形態(tài)的對(duì)比，自由電弧的擴(kuò)散角約為45°，等離子弧則僅有5°。

與采用激光焊接電源相比，PAＲ具有絕對(duì)的成本優(yōu)勢(shì)。據(jù)資料顯示：常見激光焊接電源一般價(jià)格在50萬美元左右，而等離子弧焊接電源價(jià)格則只有7000美元，不足激光焊接電源價(jià)格的2%。與GTAW相比，PAＲ的工藝調(diào)節(jié)較為繁瑣，主要包括噴嘴結(jié)構(gòu)、電極內(nèi)縮量、離子氣流量、焊接電流、焊接速度和噴嘴高度。其中：噴嘴結(jié)構(gòu)和電極內(nèi)縮量是其他工藝參數(shù)選擇的前提，通常根據(jù)材料種類和成形條件來確定；離子氣流量決定了等離子弧的穿透力，離子氣流量越大，電弧穿透能力越強(qiáng)。

1．3激光熔覆成形
以激光為熱源的增材再制造成形技術(shù)通常被稱為激光熔覆成形（LaserDepositionForming，LDF），是目前發(fā)展最為廣泛的增材制造技術(shù)之一�？刂芁DF成形質(zhì)量的因素主要有激光功率、掃描速度、粉末粒度、送粉量和載氣流量等。與GTAW和PAＲ相 比， LDF成形過程需要考慮粉末對(duì)激光的吸收率。當(dāng)送粉量一定時(shí)，可通過調(diào)節(jié)激光功率和掃描速度來獲得所需的激光能量。LDF的顯著特點(diǎn)是能量密度高、電弧熱量集中、焊接熱影響區(qū)小、溫度梯度大、 成形效率高，但焊后有很高的殘余應(yīng)力，因此多 采用脈沖方式調(diào)節(jié)激光的熱輸入。目前的研究結(jié)果表明：采用脈沖激光熔覆成形可獲得稍低的熱 輸入量，能對(duì)焊接成形有更好的控制。

相反， GTAW和PAＲ在提供高熱輸入量的同時(shí)，會(huì)增大焊后熱影 響區(qū)，惡化成形后工件組織性能。采用脈沖工藝，則可利用脈沖峰值電流熔化基材、基值電流維弧，通 過峰值電流與基值電流的交替變化可有效地分散焊接過程的熱積累，從而減小焊接熱影響區(qū)。 Balachandar等研究表明：利用合適的脈沖工藝參數(shù)，可以有效地減少GTAW的焊接熱影響區(qū)，從而在提高焊接接頭力學(xué)性能的同時(shí)，也提高并穩(wěn)定了焊接接頭硬度值， 甚至力學(xué)性能優(yōu)于焊接熱處理后的力學(xué)性能。Chen等采用脈沖工藝對(duì)比分析了小孔PAＲ和GTAW，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：脈沖等離子弧焊可有效地減小焊接熱影響區(qū)寬度，且使熔合區(qū)的金屬組織更為致密。

為了對(duì)比在不同焊接工藝下快 速成形的綜合有效性， Martina等利用直接成形的寬度、層間高度等參數(shù)進(jìn)行建模，結(jié)果表明：PAＲ 比GTAW和LDF直接成形都具有顯著優(yōu)勢(shì)。不同 焊接工藝成形性對(duì)比如圖2所示。 總之，基于不同焊接工藝的增材再制造技術(shù)各有特點(diǎn)：GTAW效率高、設(shè)備成本低，但其輸入熱量大、零件成形精度不高；脈沖LDF熱輸入量小、焊接熱影響區(qū)小，且成形效果優(yōu)良，但其設(shè)備價(jià)格昂貴；PAＲ技術(shù)在設(shè)備成本上相較于LDF具有顯著優(yōu)勢(shì)，其沉積效率約為98%，最大沉積率可達(dá)到1．8kg/h，成形零件的有效寬度和沉積率高于GTAW和LDF。

2組織與性能
基于焊接的增材再制造成形技術(shù)是一個(gè)受多參 數(shù)影響的復(fù)雜焊接過程：熱源能量輸入、 CAD模型掃描數(shù)據(jù)、焊接路徑規(guī)劃，都會(huì)對(duì)微觀組織的形態(tài)、 晶粒生長方式、晶界夾雜以及偏析等產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響鎳基高溫合金的整體性能。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)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(duì)其沉積態(tài)組織進(jìn)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?yàn)橛苫�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(duì)基體的拉伸強(qiáng)度產(chǎn) 生不良影響，試驗(yàn)測(cè)得沉積態(tài)試樣室溫情況下的拉伸強(qiáng)度不足變形合金的50%；而經(jīng)過熱處理工藝后，晶粒被細(xì)化，消除了部分枝晶偏析，較好地提高了試件的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。這與美國Dinda等的研究結(jié)果相似，后者發(fā)現(xiàn)沉積態(tài)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(dǎo)致成形件從下到上組織不均勻的原 因，如圖3所示。同時(shí)，Dinda等研究發(fā)現(xiàn)：在熱處理時(shí)，在1200℃的溫度下柱狀枝晶能夠轉(zhuǎn)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。

徐富家采用PAＲ成形了Inconel625薄壁零件，如圖4所示，結(jié)果表明從底部到頂部組織呈現(xiàn)不 同的形態(tài)特點(diǎn)：

1）底部組織呈現(xiàn)細(xì)小的胞狀晶，沒有發(fā)達(dá)的二次枝晶；
2）中部組織為明顯的胞狀枝晶形態(tài)， 并且枝晶間距增大；
3）在試樣上部出現(xiàn)了較為發(fā)達(dá)的二次橫枝，枝晶間距明顯增大；
4）在試樣頂部則出現(xiàn)了由柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變的過渡區(qū)。

文獻(xiàn)作者研究發(fā)現(xiàn)：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(xì)小，也使整體組織更為細(xì)密，試驗(yàn)測(cè)得這種情況下成形件的拉伸力學(xué)性能有所提升。 上述研究結(jié)果表明：冷卻速率和熱輸入量的變化是沉積態(tài)組織柱狀枝晶形成的原因，且大多都是定性的描述，對(duì)枝晶的大小、分布及間距與冷卻速率和熱輸入的定量關(guān)系研究較少。

2．2工藝參數(shù)對(duì)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(shù)研究了不 同掃描路徑對(duì)成形件力學(xué)性能的影響， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)：沿掃描路徑平行方向的試件抗拉強(qiáng)度高于其他方向，且塑性最優(yōu)，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(xiàn)出各向同性，試件的抗拉強(qiáng)度優(yōu)于焊絲， 而前者塑性低于焊絲。Liu等根據(jù)不同沉積路徑的變化對(duì)Inconel718合金LDF組 織及性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：單一沉積路徑和變化沉積路徑得到的試樣抗拉強(qiáng)度相當(dāng)，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(xiàn)出各向異性，因此垂直于成形方向上增材部分與基體結(jié)合處的力學(xué)性能研究就顯得尤為重要，但目前國內(nèi)在此方面的研究較少。

2．2．2 熱輸入
費(fèi)群星等研究了LDF不同工藝參數(shù)對(duì)試件 組織和性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：
1）沿沉積方向的重熔區(qū)截面呈片狀，多為柱狀晶，且晶粒向上呈放射狀生長；
2）當(dāng)加大激光功率、增加熱輸入量時(shí)，可觀察到晶粒的跨層生長現(xiàn)象，重熔區(qū)厚度顯著增大；
3）過高的功率會(huì)使熱積累加大，從而使試樣產(chǎn)生織構(gòu)，柱狀晶外側(cè)界面容易產(chǎn)生熱裂紋。

Ganesh等 在 研究工藝參數(shù)對(duì)成形性能影響時(shí)發(fā)現(xiàn)：工藝參數(shù)可影響沉積效率，促使組織形態(tài)發(fā)生明顯變化，形成柱狀枝晶和胞狀晶的混合形態(tài)。徐富家等研究峰值電流、脈沖頻率、焊接速度和送絲速度對(duì)PAＲ成形件組織性能影響時(shí)發(fā)現(xiàn)：低峰值電流和高焊接速度可獲得細(xì)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(huì)使組織粗大，Laves相和金屬碳化物增多， 且呈連續(xù)分布特征。上述研究結(jié)果反映了增材再制造過程中循環(huán)熱輸入產(chǎn)生的熱積累效應(yīng)對(duì)成形件組織與性能的影響 規(guī)律，但是均采用定性描述，缺乏對(duì)熱積累效應(yīng)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(tǒng)研究了不同冷卻速度對(duì)Inconel718合 金碳化物、Laves相析出規(guī)律的影響，如圖5所示。上述結(jié)果表明：

1）冷卻速度較低時(shí)，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(zhuǎn)變，尺寸也隨之減�。�
3）聚集狀態(tài)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(tài)均會(huì)對(duì)合金的力學(xué)性 能產(chǎn)生重要影響， 彌散分布且尺寸較小的碳化物形貌更優(yōu)。當(dāng)Laves相尺寸每減小1μm時(shí)，室溫?cái)嗝媸湛s率就可提高2．5% 。目前還無相關(guān)報(bào)道證明 完全消除Laves相是可行的，因此探討工藝參數(shù)對(duì)Laves相尺寸數(shù)量的定量影響關(guān)系具有重要意義。

3發(fā)展與展望
針對(duì)增材再制造技術(shù)工藝及組織性能的特點(diǎn)， 未來研究熱點(diǎn)將集中在以下方面：

1）提高成形件精度，減小熱影響區(qū)。引入脈沖 工藝，通過調(diào)控峰值電流、基值電流、脈沖頻率、占空 比等工藝參數(shù)，準(zhǔn)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(yōu)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(guān)系；
二是研究垂直于成形方向上增材部分與基體結(jié)合處的力學(xué)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(huán)熱輸入產(chǎn)生的熱積累效應(yīng)對(duì)成形件組 織與性能的影響規(guī)律，降低有害Laves相的析出，從而提高成形件的力學(xué)性能。

編輯：南極熊
作者：王凱博，呂耀輝，徐濱士，孫 哲 （裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

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