磁場輔助絲材增材制造In625高溫合金的組織和性能的影響

來源：江蘇激光聯(lián)盟

采用磁場輔助進(jìn)行絲材增材制造In625高溫合金來研究磁場對顯微組織和性能的影響，討論了磁場對顯微組織影響的機(jī)制，應(yīng)用磁場可以提高絲材增材制造的625合金的機(jī)械性能。

由于絲材進(jìn)行增材制造具有沉積效率高，成本低和制造具有柔性化等優(yōu)點(diǎn)而在進(jìn)行制造In 625高溫合金的場合得到廣泛的應(yīng)用。然而，較高的熱輸入和嚴(yán)重的元素偏析在增材制造過程中的發(fā)生，降低了成形In625合金的質(zhì)量和降低了其服役性能。在這里，采用磁場輔助施加到冷金屬過渡的絲材增材制造In625的過程中來改變其顯微組織。磁場在CMT-WAAM（冷金屬過渡-絲材增材制造）中對顯微組織和機(jī)械性能的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：磁場的攪拌作用在沉積過程中起到細(xì)化晶粒的作用；磁場造成的對流促進(jìn)了元素，如Nb和Mo在熔池中的擴(kuò)散，由此抑制了元素的偏析。采用磁場輔助沉積In625合金后的機(jī)械性能表明，顯微硬度增加，屈服強(qiáng)度增加了約13%，極限拉伸強(qiáng)度和韌性均增加�；�于以上工作，非常明顯，施加磁場在CMT-WAAM工藝中，細(xì)化了枝晶，抑制了元素偏析，有效的提高了沉積后的IN625合金的性能。

圖1. 磁場輔助進(jìn)行WAAM的實(shí)物圖

絲材電弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM)）綜合了弧焊和快速成形技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，基于分層原理和離散疊加，具有快速制造和柔性制造以及低成本制造的優(yōu)點(diǎn)。該制造工藝克服了傳統(tǒng)制造技術(shù)的缺點(diǎn)和廣泛的應(yīng)用在許多重要的工業(yè)場合，如航空航天，生物醫(yī)療和汽車等行業(yè)中。In625高溫合金是一種鎳基超級合金，具有優(yōu)異的機(jī)械性能，包含Cr, Mo, Nb 和其他金屬元素。該合金具有優(yōu)異的機(jī)械加工性能，耐腐蝕性能和抗氧化性能，廣泛的應(yīng)用在石油化工，航空工業(yè)中。

圖2. WAAM沉積工藝的示意圖

材料的性能顯著的受到其顯微組織的影響。材料的顯微組織可以通過如下方式進(jìn)行改性：改變制造工藝；改變工藝參數(shù)等。例如，在高溫合金材料中，如鎳基高溫合金，采用真空制造可以顯著的改變其顯微組織，從而進(jìn)一步的影響到其機(jī)械性能。Zaitsev等人研究了Ni41Al41Cr12Co6 金屬間化合物采用真空感應(yīng)重熔的工藝，其高溫蠕變性能和熱穩(wěn)定性均得到了提高。其提高原因是真空感應(yīng)重熔造成了枝晶的晶粒尺寸變小，夾雜物和析出相的變小。Gupta等人采用真空熔化的工藝來合成鎳基固溶強(qiáng)化的高溫合金，其成分為常規(guī)的15Cr-15Mo（余量為Ni）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)晶粒尺寸的減少和顆粒的溶解，提高了合金的機(jī)械性能和強(qiáng)度。Ni-Fe為基礎(chǔ)的高溫合金(43Ni-14Cr, wt%)采用真空感應(yīng)爐熔煉和通過真空電弧精煉進(jìn)行細(xì)化。對其材料的顯微組織和機(jī)械性能進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)合金的強(qiáng)度提高，其原因是晶粒細(xì)化和形成的析出相(bct γ′ Ni3Nb 和fcc γ″ Ni3Ti 析出相)的存在。Moshtaghi等人研究了在真空感應(yīng)熔化 Ni-Fe-Cr合金中保溫時間對顯微組織和機(jī)械性能的影響。他們的研究結(jié)果結(jié)果表明可以增加合金的延伸率，這是因?yàn)樵诒�溫時合金的夾雜物的數(shù)量減少了。

圖3. 采用WAAM進(jìn)行沉積時施加磁場和不施加磁場的樣品

大多數(shù)鎳基高溫合金部件均具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和非常高的制造成本。WAAM制造技術(shù)可以以較低的成本來制造具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的部件，由此In625高溫合金可以通過WAAM技術(shù)來進(jìn)行制造。然而，由于具有較高的熱輸入和復(fù)雜的熱傳遞和質(zhì)量傳遞，采用WAAM技術(shù)進(jìn)行IN625的制造經(jīng)常會導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量的下降，如存在裂紋或者粗糙度差。同時In625合金中的大量的合金元素，如 Nb, Cr, Mo可以通過凝固過程中的固溶強(qiáng)化來提高其性能，這些元素同時增加了在凝固過程中的固態(tài)-液態(tài)兩相的溫度范圍。溫度的增加惡化了富集元素的程度，如Nb和Mo元素，導(dǎo)致形成不利的相如(Ni,Fe)2(Nb, Mo, Cr, Ti)，這會嚴(yán)重的影響合金的性能。因此，提高WAAM工藝的關(guān)鍵在于克服以上提到的問題，從而才可以制造出更好性能的In625合金來。

▲圖4. WAAM工藝沉積In625合金的橫截面的照片：(a) 沒有施加磁場的時候, (b)施加磁場時的外部輪廓曲線 , (c) 施加磁場 和 (d) 施加磁場時的樣品的外部輪廓曲線

在近年來，磁場攪拌技術(shù)被用來作為一種輔助的辦法來提高合金的性能。該技術(shù)不僅可以影響到熔池的形狀和細(xì)化晶粒，同時還會改變合金凝固時的質(zhì)量傳遞，改變元素的分布和顯微組織，進(jìn)而提高合金的性能。Vdovin等人研究了脈沖磁場強(qiáng)度變化的條件下，鑄造鋁合金 A356.0和 A413.1時顯微組織和機(jī)械性能的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)磁場導(dǎo)致了合金中形成細(xì)小的晶粒，從而提高了合金的硬度到8-10%。磁場同時還影響到合金的極限抗拉強(qiáng)度，但幾乎不改變其韌性。Guan等人采用GMAW工藝在磁場的輔助下進(jìn)行了鋁合金的制備。結(jié)果發(fā)現(xiàn)飛濺減少了1.8%，顯微組織得到了明顯的細(xì)化，屈服強(qiáng)度提高了至少 31.5MPa，這是因?yàn)榛⌒伪粔嚎s，弧的溫度梯度和過冷程度得到最佳，此時的的條件為磁場頻率為超過60Hz。Liu等人在焊接的時候施加外部磁場。結(jié)果發(fā)現(xiàn)焊接和熔滴由于洛倫磁力的作用而旋轉(zhuǎn)，從而均勻了熱分布和改變了金屬熔體在焊接過程中的流動。此外，外部的磁場力抑制了Fe的擴(kuò)散和脆性相的生成，導(dǎo)致具有較高的屈服強(qiáng)度。這些研究均聚焦在磁場對單一層焊接和連接接頭的影響上。很少有研究是關(guān)于WAAM的。ZHou等人提出了一種新的弧焊為基礎(chǔ)的增材制造技術(shù)，輔助以縱向的磁場。他們發(fā)現(xiàn)外部的縱向磁場誘導(dǎo)了切向方向的熔池的攪拌和驅(qū)動熔體金屬向熔池邊緣移動，從而減少了成形區(qū)域的溫度梯度。此外，發(fā)現(xiàn)切向的攪拌力可以減少單一沉積層的高度和增加單一沉積層的寬度，提高以弧焊為基礎(chǔ)的增材制造的表面精度。

▲圖5. WAAM沉積In625合金時的顯微組織：(a) 沒有施加磁場; (b) 施加磁場；(c) 沒有施加磁場; (d) 施加磁場

在當(dāng)前的研究中，In625合金采用WAAM在施加外部恒定磁場的條件下進(jìn)行了制造。這一工作的獨(dú)特之處在于磁場在合金定向凝固的過程中施加（即在WAAM制造的工藝過程中）。磁場攪拌提高WAAM制造的In625合金的顯微組織和機(jī)械性能的可行性也給予了展示。

圖6. 在施加外部磁場和不施加外部磁場的時候，采用WAAM制造In625合金的顯微組織在中心線上分布的情況

圖7. 施加磁場與否對WAAM制造In625合金的室溫應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響

主要結(jié)論
采用磁場輔助進(jìn)行WAAM制造In625合金，對磁場對WAAM制造In625合金時的顯微組織和機(jī)械性能進(jìn)行了研究，并同沒有采用磁場時的結(jié)果進(jìn)行了對比。如下為主要結(jié)論：
(1) 施加外部磁場可以顯著的減少枝晶的尺寸，同沒有施加磁場相比較，減少了大約1/3；
(2) 磁場造成的對流降低了強(qiáng)化元素如Nb和Mo等元素在枝晶間的偏析，由此增加了沉積In625合金時的機(jī)械性能。
(3) 在磁場輔助條件下沉積的In625合金的顯微硬度和室溫屈服強(qiáng)度高于沒有采用磁場輔助的沉積合金。磁場輔助沉積的In625合金機(jī)械性能的提高歸因于顯微組織的變化：主要有：枝晶的細(xì)化；枝晶方向的均一性和合金化元素偏析的抑制。
(4) WAAM沉積In625合金時的顯微組織和機(jī)械性能同傳統(tǒng)的金屬活性氣體焊接（ Metal Active Gas (MAG) ）顯著不同，這是因?yàn)樘囟ǖ慕饘龠^渡特征所造成。

圖8. WAAM 制造工藝中的影響因數(shù)及其工藝控制圖

文章來源：Effect of magnetic Field on the microstructure and mechanical properties of inconel 625 superalloy fabricated by wire arc additive manufacturing，Journal of Manufacturing Processes，Volume 64, April 2021, Pages 10-19，https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2021.01.008
參考資料：A review of the wire arc additive manufacturing of metals: properties, defects and quality improvement，Journal of Manufacturing Processes，Volume 35, October 2018, Pages 127-139，https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2018.08.001