磁场辅助丝材增材制造In625高温合金的组织和性能的影响

来源：江苏激光联盟

采用磁场辅助进行丝材增材制造In625高温合金来研究磁场对显微组织和性能的影响，讨论了磁场对显微组织影响的机制，应用磁场可以提高丝材增材制造的625合金的机械性能。

由于丝材进行增材制造具有沉积效率高，成本低和制造具有柔性化等优点而在进行制造In 625高温合金的场合得到广泛的应用。然而，较高的热输入和严重的元素偏析在增材制造过程中的发生，降低了成形In625合金的质量和降低了其服役性能。在这里，采用磁场辅助施加到冷金属过渡的丝材增材制造In625的过程中来改变其显微组织。磁场在CMT-WAAM（冷金属过渡-丝材增材制造）中对显微组织和机械性能的影响进行了研究。结果表明：磁场的搅拌作用在沉积过程中起到细化晶粒的作用；磁场造成的对流促进了元素，如Nb和Mo在熔池中的扩散，由此抑制了元素的偏析。采用磁场辅助沉积In625合金后的机械性能表明，显微硬度增加，屈服强度增加了约13%，极限拉伸强度和韧性均增加。基于以上工作，非常明显，施加磁场在CMT-WAAM工艺中，细化了枝晶，抑制了元素偏析，有效的提高了沉积后的IN625合金的性能。

图1. 磁场辅助进行WAAM的实物图

丝材电弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM)）综合了弧焊和快速成形技术的优点，基于分层原理和离散叠加，具有快速制造和柔性制造以及低成本制造的优点。该制造工艺克服了传统制造技术的缺点和广泛的应用在许多重要的工业场合，如航空航天，生物医疗和汽车等行业中。In625高温合金是一种镍基超级合金，具有优异的机械性能，包含Cr, Mo, Nb 和其他金属元素。该合金具有优异的机械加工性能，耐腐蚀性能和抗氧化性能，广泛的应用在石油化工，航空工业中。

图2. WAAM沉积工艺的示意图

材料的性能显著的受到其显微组织的影响。材料的显微组织可以通过如下方式进行改性：改变制造工艺；改变工艺参数等。例如，在高温合金材料中，如镍基高温合金，采用真空制造可以显著的改变其显微组织，从而进一步的影响到其机械性能。Zaitsev等人研究了Ni41Al41Cr12Co6 金属间化合物采用真空感应重熔的工艺，其高温蠕变性能和热稳定性均得到了提高。其提高原因是真空感应重熔造成了枝晶的晶粒尺寸变小，夹杂物和析出相的变小。Gupta等人采用真空熔化的工艺来合成镍基固溶强化的高温合金，其成分为常规的15Cr-15Mo（余量为Ni）。结果发现晶粒尺寸的减少和颗粒的溶解，提高了合金的机械性能和强度。Ni-Fe为基础的高温合金(43Ni-14Cr, wt%)采用真空感应炉熔炼和通过真空电弧精炼进行细化。对其材料的显微组织和机械性能进行了研究，结果发现合金的强度提高，其原因是晶粒细化和形成的析出相(bct γ′ Ni3Nb 和fcc γ″ Ni3Ti 析出相)的存在。Moshtaghi等人研究了在真空感应熔化 Ni-Fe-Cr合金中保温时间对显微组织和机械性能的影响。他们的研究结果结果表明可以增加合金的延伸率，这是因为在保温时合金的夹杂物的数量减少了。

图3. 采用WAAM进行沉积时施加磁场和不施加磁场的样品

大多数镍基高温合金部件均具有复杂的结构和非常高的制造成本。WAAM制造技术可以以较低的成本来制造具有复杂结构的部件，由此In625高温合金可以通过WAAM技术来进行制造。然而，由于具有较高的热输入和复杂的热传递和质量传递，采用WAAM技术进行IN625的制造经常会导致产品质量的下降，如存在裂纹或者粗糙度差。同时In625合金中的大量的合金元素，如 Nb, Cr, Mo可以通过凝固过程中的固溶强化来提高其性能，这些元素同时增加了在凝固过程中的固态-液态两相的温度范围。温度的增加恶化了富集元素的程度，如Nb和Mo元素，导致形成不利的相如(Ni,Fe)2(Nb, Mo, Cr, Ti)，这会严重的影响合金的性能。因此，提高WAAM工艺的关键在于克服以上提到的问题，从而才可以制造出更好性能的In625合金来。

▲图4. WAAM工艺沉积In625合金的横截面的照片：(a) 没有施加磁场的时候, (b)施加磁场时的外部轮廓曲线 , (c) 施加磁场 和 (d) 施加磁场时的样品的外部轮廓曲线

在近年来，磁场搅拌技术被用来作为一种辅助的办法来提高合金的性能。该技术不仅可以影响到熔池的形状和细化晶粒，同时还会改变合金凝固时的质量传递，改变元素的分布和显微组织，进而提高合金的性能。Vdovin等人研究了脉冲磁场强度变化的条件下，铸造铝合金 A356.0和 A413.1时显微组织和机械性能的变化。结果发现磁场导致了合金中形成细小的晶粒，从而提高了合金的硬度到8-10%。磁场同时还影响到合金的极限抗拉强度，但几乎不改变其韧性。Guan等人采用GMAW工艺在磁场的辅助下进行了铝合金的制备。结果发现飞溅减少了1.8%，显微组织得到了明显的细化，屈服强度提高了至少 31.5MPa，这是因为弧形被压缩，弧的温度梯度和过冷程度得到最佳，此时的的条件为磁场频率为超过60Hz。Liu等人在焊接的时候施加外部磁场。结果发现焊接和熔滴由于洛伦磁力的作用而旋转，从而均匀了热分布和改变了金属熔体在焊接过程中的流动。此外，外部的磁场力抑制了Fe的扩散和脆性相的生成，导致具有较高的屈服强度。这些研究均聚焦在磁场对单一层焊接和连接接头的影响上。很少有研究是关于WAAM的。ZHou等人提出了一种新的弧焊为基础的增材制造技术，辅助以纵向的磁场。他们发现外部的纵向磁场诱导了切向方向的熔池的搅拌和驱动熔体金属向熔池边缘移动，从而减少了成形区域的温度梯度。此外，发现切向的搅拌力可以减少单一沉积层的高度和增加单一沉积层的宽度，提高以弧焊为基础的增材制造的表面精度。

▲图5. WAAM沉积In625合金时的显微组织：(a) 没有施加磁场; (b) 施加磁场；(c) 没有施加磁场; (d) 施加磁场

在当前的研究中，In625合金采用WAAM在施加外部恒定磁场的条件下进行了制造。这一工作的独特之处在于磁场在合金定向凝固的过程中施加（即在WAAM制造的工艺过程中）。磁场搅拌提高WAAM制造的In625合金的显微组织和机械性能的可行性也给予了展示。

图6. 在施加外部磁场和不施加外部磁场的时候，采用WAAM制造In625合金的显微组织在中心线上分布的情况

图7. 施加磁场与否对WAAM制造In625合金的室温应力-应变曲线的影响

主要结论
采用磁场辅助进行WAAM制造In625合金，对磁场对WAAM制造In625合金时的显微组织和机械性能进行了研究，并同没有采用磁场时的结果进行了对比。如下为主要结论：
(1) 施加外部磁场可以显著的减少枝晶的尺寸，同没有施加磁场相比较，减少了大约1/3；
(2) 磁场造成的对流降低了强化元素如Nb和Mo等元素在枝晶间的偏析，由此增加了沉积In625合金时的机械性能。
(3) 在磁场辅助条件下沉积的In625合金的显微硬度和室温屈服强度高于没有采用磁场辅助的沉积合金。磁场辅助沉积的In625合金机械性能的提高归因于显微组织的变化：主要有：枝晶的细化；枝晶方向的均一性和合金化元素偏析的抑制。
(4) WAAM沉积In625合金时的显微组织和机械性能同传统的金属活性气体焊接（ Metal Active Gas (MAG) ）显著不同，这是因为特定的金属过渡特征所造成。

图8. WAAM 制造工艺中的影响因数及其工艺控制图

文章来源：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
参考资料：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