2 組織與性能 

基于焊接的增材再制造成形技術(shù)是一個受多參 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，都會對微觀組織的形態(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(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，這對基體的拉伸強(qiáng)度產(chǎn) 生不良影響，試驗(yàn)測得沉積態(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，Dinda等研究發(fā)現(xiàn)：在熱處理時，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。

圖3 鎳基高溫合金激光快速成形沉積態(tài)組織特性

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，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)對成形性能影響時發(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PAＲ成形件組織性能影響時發(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，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，尺寸也隨之減小；

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)均會對合金的力學(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，室溫斷面收縮率就可提高2．5% 。目前還無相關(guān)報道證明 完全消除Laves相是可行的，因此探討工藝參數(shù)對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。

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）

(責(zé)任編輯：admin)

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