基于焊接的鎳基高溫合金增材再制造技術綜述

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， 北京 100072)

基于焊接的鎳基高溫合金增材再制造技術綜述

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， 北京 100072)

摘要：綜述了基于焊接的鎳基高溫合金增材再制造技術(Additive Remanufacturing Technology,ART)研究現狀，主要比較了激光、等離子弧、鎢極氬弧3種熱源情況下鎳基高溫合金增材再制造的成形特點和組織性能，指出了不同熱源的優缺點以及未來增材再制造技術的研究熱點。

關鍵詞：鎳基高溫合金； 焊接； 增材再制造

鎳基高溫合金憑借其耐高溫、耐腐蝕、耐復雜應力等性能，在制作渦輪發動機工作葉片、導向葉片、飛機發動機以及工業用燃氣輪機等高溫零部件方面具有廣泛的適用性，也因此被稱作“發動機的心臟”[1-3]。但當這些零部件在高溫、復雜應力，特別是在海水中等復雜環境下工作時，容易產生裂紋、磨損、斷裂和腐蝕等，致使零部件大量報廢。采用增材再制造技術(Additive Remanufacturing Technology, ART)對廢舊零部件“再制造”，可使其價值得到最大程度的發揮，獲得巨大的經濟收益[4]。

增材再制造技術就是利用增材制造技術對廢舊零部件進行再制造修復[5]：首先,利用數字加工的一些原理掃描出零部件的3維數字模型;然后,對數字模型進行后處理,得出缺損部分的3維數字模型;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。其建立在數控CAD/CAE/CAM[6]、焊接、新材料等已有的成熟技術基礎之上，核心理念是“逐層疊加、分層成形”。自20世紀開始，美國就在B-52轟炸機和M1坦克等軍用裝備上進行了增材再制造，并將武器系統的更新換代和再制造技術列為國防科技重點研究領域[7-8]。國內也成功地將增材再制造技術應用在各種軍用裝備上，產生了巨大的經濟效益[9-11]。

由于增材再制造技術本身還不夠成熟，目前研究尚處于初級階段，因此存在許多亟待解決的問題。為此，筆者對基于焊接的增材再制造技術研究現狀進行簡要介紹，通過對比不同焊接工藝，提出未來發展的研究熱點。

1焊接工藝

1.1鎢極氬弧焊

鎢極氬弧焊(Gas Tungsten Arc Welding, GTAW)是以鎢棒作為電弧一極的氣體保護電弧焊。其應用非常靈活，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2 A[12]。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，鎢極電弧的發散變得嚴重，使得熔池成形之后塌陷，嚴重影響成形質量。

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焊縫成形的關鍵參數，當其他條件不變時，焊接電流的增加可導致電弧壓力、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0.5～3.0 mm，當成形件變形小時，弧長取下限，否則取上限；焊接速度是調節GTAW熱輸入和焊道形狀的重要參數，焊接電流確定后，焊速有相對應的取值范圍，超過該范圍上限，易出現裂紋、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(Plasma Additive Remanufactu-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10 000～24 000 K，能量密度小于104W/cm2，而等離子弧的溫度高達24 000～50 000 K，能量密度可達106～108W/cm2[12]。依靠噴嘴的機械壓縮作用，同時伴隨著最小電壓原理產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遠超過鎢極氬弧，甚至能夠達到激光的能量密度[13-14]，圖1為二者電弧形態的對比，自由電弧的擴散角約為45°，等離子弧則僅有5°。與采用激光焊接電源相比，PAR具有絕對的成本優勢[15]。據資料[16]顯示：常見激光焊接電源一般價格在50萬美元左右，而等離子弧焊接電源價格則只有7 000美元，不足激光焊接電源價格的2%。

與GTAW相比,PAR的工藝調節較為繁瑣，主要包括噴嘴結構、電極內縮量、離子氣流量、焊接電流、焊接速度和噴嘴高度。其中：噴嘴結構和電極內縮量是其他工藝參數選擇的前提，通常根據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。

圖1　GTAW與PAR電弧形態對比[14]

1.3激光熔覆成形

以激光為熱源的增材再制造成形技術通常被稱為激光熔覆成形(Laser Deposition Forming, LDF),是目前發展最為廣泛的增材制造技術之一。控制LDF成形質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激光的吸收率。當送粉量一定時，可通過調節激光功率和掃描速度來獲得所需的激光能量。LDF的顯著特點是能量密度高、電弧熱量集中、焊接熱影響區小、溫度梯度大、成形效率高，但焊后有很高的殘余應力[17-18]，因此多采用脈沖方式調節激光的熱輸入。目前的研究結果[19]表明：采用脈沖激光熔覆成形可獲得稍低的熱輸入量，能對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，會增大焊后熱影響區，惡化成形后工件組織性能[20]。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。

Balachandar等[21]研究表明：利用合適的脈沖工藝參數，可以有效地減少GTAW 的焊接熱影響區，從而在提高焊接接頭力學性能的同時，也提高并穩定了焊接接頭硬度值，甚至力學性能優于焊接熱處理后的力學性能。Chen等[22]采用脈沖工藝對比分析了小孔PAR和GTAW，結果發現：脈沖等離子弧焊可有效地減小焊接熱影響區寬度，且使熔合區的金屬組織更為致密。為了對比在不同焊接工藝下快速成形的綜合有效性，Martina等[23]利用直接成形的寬度、層間高度等參數進行建模，結果表明：PAR比GTAW和LDF直接成形都具有顯著優勢。不同焊接工藝成形性對比如圖2所示。

總之，基于不同焊接工藝的增材再制造技術各有特點：GTAW效率高、設備成本低，但其輸入熱量大、零件成形精度不高；脈沖LDF熱輸入量小、焊接熱影響區小，且成形效果優良，但其設備價格昂貴；PAR技術在設備成本上相較于LDF具有顯著優勢，其沉積效率約為98%，最大沉積率可達到1.8 kg/h，成形零件的有效寬度和沉積率高于GTAW和LDF。

圖2　不同焊接工藝成形性對比

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[24]利用Inconel 718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[25]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[25]研究發現：在熱處理時，在1 200 ℃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征

徐富家[26]采用PAR成形了Inconel 625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[27-28]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。

圖4　PAR成形件金相組織

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[29]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[30]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[31-32]根據不同沉積路徑的變化對Inconel 718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[33]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[34]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[35-36]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[37]系統研究了不同冷卻速度對Inconel 718合金碳化物、Laves相析出規律的影響，如圖5所示。

圖5　不同冷卻速度下組織分布特征

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[37]。Yin等[38]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1 μm時，室溫斷面收縮率就可提高2.5%[2]。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。

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(責任編輯: 尚菲菲)

Rewiew of the Additive Remanufacturing Technology of Ni-based Superalloy Based on Welding

WANG Kai-bo, Lü Yao-hui, XU Bin-shi, SUN Zhe

(National Defense Key Laboratory for Remanufacturing Technology, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Abstract：This article gives the research status of the additive remanufacturing technology of Ni-based superalloy based on welding, which compares three kinds of heat source: tungsten arc, laser, plasma arc. Forming features and structure property are analyzed, both the advantages and disadvantages of different heat source are pointed out, and the research focus of the additive remanufacturing technology is highlighted.

Key words:Ni-based superalloy; welding; additive remanufacturing

文章編號：1672-1497(2016)01-0081-06

收稿日期：2015-11-13

基金項目：國防科技重點實驗室基金資助項目(9140C850205120C8501)

作者簡介：王凱博(1991-)，男，碩士研究生。

中圖分類號：TG47

文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.01.016