Inconel 617 鎳基合金電弧增材制造微觀組織與力學性能

張旭，萬金初，朱亮，吉明亮，楊宗輝

（南京工程學院，江蘇省先進結構材料與應用技術重點實驗室，南京 211167）

0 前言

鎳基高溫合金因具有優(yōu)異的高溫力學性能及突出的抗高溫腐蝕性能被廣泛應用于航天航空、能源化工等領域關鍵部件[1-2]。近年來，鎳基高溫合金部件結構呈現(xiàn)大型化、復雜化、多樣化發(fā)展態(tài)勢，鑄造、鍛造等傳統(tǒng)加工制造方法已無法滿足其制造要求。增材制造技術作為一種先進加工技術，基于分散累加原理，通過逐層疊加可實現(xiàn)大型復雜零件的無模生產(chǎn)，有效彌補了傳統(tǒng)加工方法的短板，受到眾多科研機構研究學者的關注[3]。根據(jù)增材制造過程中采用熱源形式不同，目前金屬增材制造技術可分為激光增材制造[4-5]、電子束增材制造[6]、電弧增材制造[7-9]等。其中，電弧增材制造技術由于其沉積速度高、成本低、可實現(xiàn)大尺寸復雜零件成形，目前在航天航空、交通運輸?shù)阮I域表現(xiàn)出廣闊的應用前景。然而，在電弧逐層堆積過程中，在特殊熱循環(huán)作用下，鎳基合金組織會顯著區(qū)別于傳統(tǒng)鍛造態(tài)合金組織，致使其呈現(xiàn)獨特的力學行為特征。Inconel 617 是一種典型的固溶強化鎳基合金，其在硫化、氧化等腐蝕條件下具有優(yōu)異的耐腐蝕性能[10-11]。

文中主要對電弧增材制造Inconel 617 鎳基合金微觀組織及力學性能進行分析，確定電弧增材制造構件微觀組織與力學性能的內在特征關系，為電弧增材制造鎳基合金的形性調控提供理論基礎與試驗數(shù)據(jù)。

1 試驗材料與方法

試驗所用絲材為商用Inconel 617 鎳基合金焊絲，直徑為?1.2 mm。基板采用低合金鋼16Mn，尺寸為150 mm × 100 mm × 8 mm。焊絲及基板相應化學成分見表1。

表1 Inconel 617 合金焊絲及基板化學成分（質量分數(shù)，%）

基于ABB IRB 1410 六軸機器人，利用熔化極惰性氣體保護焊（Metal inert gas welding，MIG）在16Mn鋼板進行單道多層往復沉積Inconel 617 鎳基合金，制造試驗所需薄墻結構。沉積過程采用純度為99.99%的氬氣作為保護氣體，沉積過程中的主要工藝參數(shù)見表2。

表2 焊接過程基本參數(shù)

沉積完成后利用電火花式線切割機沿沉積方向與垂直沉積方向分別進行拉伸試樣取樣，拉伸試樣尺寸及取樣方式如圖1 和圖2 所示。利用萬能力學試驗機，按照國標GB/T 228.1—2010 在室溫下進行拉伸性能測試。為保證試驗可靠性，每組取3 個平行試樣。

圖1 拉伸試樣尺寸

圖2 測試試樣切割示意圖

從薄墻結構中部取10 mm × 10 mm × 8 mm 塊體試樣進行微觀組織觀察，采用150 號、240 號、500 號、1000 號、2000 號砂紙對試樣表面進行磨削，之后采用粒度為2.5 μm 的金剛石拋光膏對試樣進行拋光。采用10%鉻酸水溶液對試樣表面進行電解腐蝕，以進行組織觀察。電解參數(shù)為：直流電壓10 V，腐蝕時間為5～10 s。電解腐蝕后采用10%草酸水溶液清洗試樣表面，去除表面附著的電解腐蝕產(chǎn)物。利用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察增材制造鎳基合金的顯微組織及拉伸斷口形貌，利用能譜（Energy dispersive spectrometer,EDS）表征組織中析出相成分及元素分布。

2 試驗結果與討論

2.1 微觀組織

圖3 為Inconel 617 鎳基合金增材制造微觀組織形貌。基于電弧增材制造過程特殊的熱循環(huán)作用，熔池在沉積方向具有最大的溫度梯度，因而在沉積方向晶粒具有最大的生長速率，組織中出現(xiàn)了粗大的柱狀樹枝晶組織[12]。并且樹枝晶具有外延生長的特征，下一道熔敷層枝晶可以延續(xù)上一道枝晶方向繼續(xù)生長，突破了熔敷層界面的束縛，如圖3(a)所示。圖3(b)為掃描電子顯微鏡下組織中析出相的分布情況。從圖中可以看出，晶界上有連續(xù)的析出相析出，EDS分析顯示這些析出相為鉻的碳化物。由于Inconel 617合金中含有較高的Cr 與C 元素，在多層沉積過程中沉積體受到多次熱循環(huán)作用，后續(xù)沉積層相當于對前道沉積層進行了后熱處理，可顯著促進鉻的碳化物沿晶析出[13]。此外，在樹枝晶間析出了尺寸約1～2 μm 的Laves 相。從圖4 的EDS 面掃結果可以看出，Laves 相中富含Mo 元素。Mo 是一種顯著的偏析元素，鎳基合金凝固過程中會向液相中發(fā)生偏聚，導致最后凝固位置（枝晶間）具有較高的Mo 含量。研究表明：Mo 能夠顯著促進鎳基合金凝固過程中L→(γ +Laves)共晶轉變的發(fā)生，從而促進Laves 相的共晶析出[14]。從圖中也可以看出，Laves 主要分布在枝晶間而枝晶干位置未發(fā)現(xiàn)有Laves 相析出。值得注意的是，圖3(b)中枝晶干與枝晶間顏色存在鮮明的對比，枝晶干偏黑而枝晶間偏白。這是由于組織中存在嚴重的顯微偏析表現(xiàn)。從圖4 中EDS 面掃結果可以看出，沉積樣枝晶干富Cr 元素而枝晶間相對貧化，因而導致枝晶干與枝晶間腐蝕性能存在顯著差異，在電解腐蝕過程中腐蝕程度存在明顯差異，出現(xiàn)了顏色的差異。

圖3 Inconel 617 合金電弧增材制造微觀組織形貌

圖4 Inconel 617 鎳基合金電弧增材制造EDS 結果

2.2 力學性能

圖5 為沿沉積方向和垂直沉積方向的電弧增材制造Inconel 617 鎳基合金的工程應力-應變曲線。從圖中可以看出，垂直沉積方向試樣具有較低的抗拉強度，抗拉強度與屈服強度分別為700 MPa 和400 MPa，而沿沉積方向試樣抗拉強度與屈服強度可達到900 MPa 和600 MPa，兩者斷后伸長率均達到了45%以上。可以發(fā)現(xiàn)電弧增材制造Inconel 617 鎳基合金在沿沉積方向與垂直沉積方向具有顯著的差異，沿沉積方向比垂直沉積方向強度高出了200 MPa，力學性能各向異性顯著。

圖5 工程應力-應變曲線

對不同方向電弧增材制造Inconel 617 拉伸試樣斷口形貌進行了觀察分析，如圖6 所示。2 個方向的拉伸斷口宏觀上均較為平整，在垂直沉積方向拉伸斷口上可以看到明顯的二次裂紋。斷口形貌表明：沿沉積方向與垂直沉積方向試樣在拉伸過程中均發(fā)生了準解理斷裂，斷口形貌主要有韌窩與小解理平面組成[15]。垂直沉積方向拉伸試樣斷口存在明顯的枝晶撕裂特征，二次裂紋在枝晶間萌生并沿著枝晶生長方向進行擴展，如圖5(d)所示。

圖6 電弧增材制造Inconel 617 拉伸斷口形貌

圖7 給出了電弧增材制造Inconel 617 拉伸斷口的縱剖面形貌。從圖中可以看到，沿著拉伸方向，塊狀大尺寸Laves 相出現(xiàn)了明顯的開裂，其他位置未見明顯的裂紋出現(xiàn)。可見，拉伸過程中Laves 相在應力作用破碎開裂進而誘發(fā)裂紋產(chǎn)生，從而導致試樣發(fā)生斷裂。

圖7 拉伸試樣斷口縱剖面

Laves 共晶相具有較大的尺寸，本身具有較高的脆性，在應力的作用下，容易斷裂促進裂紋的萌生。沿沉積方向進行拉伸時，此時柱狀晶生長方向與拉伸方向平行，Laves 相斷裂引起的裂紋穿過枝晶進行擴展，裂紋擴展相對較困難，因而試樣具有較高的強度。垂直沉積方向拉伸時，此時柱狀晶生長方向與拉伸應力方向垂直，Laves 相斷裂引起的裂紋沿枝晶間進行擴展，由于枝晶間存在較多的Laves 相斷裂形成的微裂紋，裂紋彼此結合，向前擴展，導致試樣迅速發(fā)生斷裂，因而具有較低的強度。圖8 為增材制造樣品不同方向變形斷裂過程示意圖。

圖8 增材制造結構拉伸變形斷裂機理示意圖

3 結論

（1）具有外延生長的粗大樹枝晶是電弧增材Inconel 617 薄墻塊體構件中典型結構。Mo 元素往枝晶間偏析，促進了大尺寸的Laves 相沿枝晶間析出。

（2）鎳基合金電弧增材制造在沿沉積方向與垂直沉積方向抗拉強度存在顯著差異。拉伸過程中Laves相開裂致使微裂紋萌生，由于柱狀晶生長方向與拉伸應力方向不同，導致裂紋擴展路徑不同，是電弧增材制造構件各向異性的主要原因。

（3）為降低增材Inconel 617 構件的各向異性，在增材過程中可適當調控工藝控制Laves 相的含量與尺寸。