不同工艺参数对等离子弧增材制造镍基高温合金组织的影响

不同工艺参数对等离子弧增材制造镍基高温合金组织的影响
0 前言
增材制造技术是当前十分热门的先进制造技术，也被称为“3D打印”、“增量制造”等，其中金属增材制造技术更是研究的热点领域［1－3］。

等离子弧增材制造技术则是以等离子弧为热源，是一种基于焊接的增材制造技术［4－5］。

目前已有学者采用等离子弧增材制造技术成功实现了铁基合金、镍基合金和钛合金等零部件［6－9］的制造。

其中，镍基高温合金凭借着耐高温、耐腐蚀、耐复杂应力等优良性能被广泛应用于航空航天、化工和核工业等领域，其常被用于发动机零件的制造，也被称作“发动机的心脏”［10－11］。

针对镍基高温合金的增材制造技术一直是国际上的热门研究领域之一。

南昌航空大学的刘奋成等人［12］采用激光固体成型技术（Laser Solid Forming，LSF）分析了成型的Inconel 718薄壁零件的组织特点。

德国Bayreuth大学的Tanja等人［13］采用选取激光烧结技术（Selective Laser Melting，SLM）成型了Inconel 718块体，并对比了铸件和锻件。

美国NASA所属的Langley研究中心采用电子束自由成型技术（Electron Beam Freedom Fabrication，EBF）分析了成型Inconel 718合金组织与性能之间的关系［14］。

Dinda等人［15］研究了激光快速成形镍基合金的组织特点，呈现定向生长的柱状晶形态。

部分专家学者研究了不同工艺参数对成形件组织的影响，指出增加热输入量可以改善组织连续性［16－20］。

由此可见，不论采用何种增材制造技术，成型Inconel 718合金零部件的组织特点都是研究重点。

各主要变量的描述性统计结果见表2。

由表2可知，被调查农户参保意愿的均值为3.33，农户对种植业保险保费补贴政策认知度的均值为2.21，邻里是否参保的均值为0.44，农户对种植业保险重要性评价的均值为3.07。

由此可见，被调查农户的参保意愿低下，对保费补贴政策的认知度不足，邻里参保较少，并且种植业保险的重要性没有得到农户的高度认可。

随着IP技术的发展，大容量计算能力将会带来信号处理方面革新。

传统的播出系统在发展到云播出之前，中间的一个重要步骤是一体化播出服务器，其核心技术是将传统播出系统的播出信号、信号切换、键控等功能软件化，运行在通用计算平台上，接口虽然是SDI，但其内部处理完全IP化，配合云计算平台和云处理软件完成整个工作流程。

文中采用等离子弧增材制造技术，研究不同工艺参数对成型Inconel 718合金组织特点的影响规律，在等离子弧增材制造镍基高温合金领域具有重要意义。

1 试验材料及方法
试验采用课题组自行配套的等离子弧增材制造系统，包括3 000MW 维弧电源、PM10引弧电源、送丝机、等离子弧焊枪、循环水冷系统及自行研制的水冷衬垫。

其中，循环水冷系统是与电源和焊枪配套使用，主要作用是冷却等离子弧焊枪，防止焊枪温度过高而损坏。

自行研制的水冷衬垫则是放置于基板下方，作用是在增材制造过程中加速冷却，从而易于成型。

以Q235钢为基板，以进口的直径为1.2mm的Inconel 718焊丝为成型材料，焊丝化学成分见表1。

为研究不同工艺参数对成型层组织的影响，根据前期试验经验，选取峰值电流、脉冲频率和焊接速度三者为考察对象。

采用单一变量法，不变的参数设置见表2，三个变量的梯度设置见表3。

试验中，当一个变量按照表3所示的梯度变化时，其他变量均保持不变。

试验在Q235基板上进行，采用单道多层、逐层堆积的方式成型Inconel 718合金，每套工艺参数成型5层。

待成型完成后，沿垂直于焊接速度的方向切样。

试样经砂纸打磨、机械抛光后腐蚀，从而观察组织。

其中，光学显微镜下观察的试样，腐蚀液为100mL C2H5OH＋20mL HCl＋5g FeCl3，腐蚀时间30～50 s，扫描电子显微镜下观察时，腐蚀液为100mL C2H5OH＋100mL HCl＋5g CuCl2，腐蚀时间为15～20s。

中粮宁夏年产2万t葡萄酒及配套种植基地项目总需水量514.1万m3，其中农业灌溉用水504.9万m3，工业及生活用水9.17万m3。

项目取水符合国家和地方产业政策，符合《中国（宁夏）贺兰山东麓葡萄文化长廊发展规划》的部署，项目实施不需增加西夏渠引黄水量指标，通过项目区所在地永宁县点对点节水解决用水指标，可有效保护区域生态环境。

项目区各用水户规模确定较为合理，各项用水指标充分考虑了节约用水的措施，符合相关规范或标准要求，评价指标较为先进。

因此，本项目取用水合理。

（1）大跨度巷道不同的开挖顺序对巷道围岩破坏区域、应力分布和位移量均有明显的影响，先开挖小断面有利于巷道顶底板的稳定，而先开挖大断面有利于巷道两帮的稳定。

表1 Inconel 718焊丝主要化学成分（质量分数，%）
C Ni Cr Mo Nb＋Ta Al Ti Mn Si Fe 0.06 52.9 17.4 2.98 5.0 0.45
0.84 0.04 0.09余量
表2 不变的参数设置
峰值电流Ip／A基值电流Ib／A占空比γ（%）脉冲频率f／Hz焊接速度v1／（m·min－1）送丝速度v2／（m·min－1）离子气流量Q ／（L·min－1）320 50 50 60 0.2 1.5 2.8
表3 变量的梯度设置
峰值电流Ip／A脉冲频率f／Hz焊接速度v1／（m·min－1）280 20 0.15 320 60 0.20 360 100 0.25
2 工艺参数对成型层组织的影响
2.1 峰值电流
在光镜和电镜下观察后，可得峰值电流分别为280 A，320A和360A时的组织，如图1所示。

与文献［21－23］相似，成型层组织中主要为Laves相和少许碳化物颗粒。

峰值电流为280A时，成型层主要为单一取向生长的柱状枝晶，这是因为增材制造过程中，由于水冷衬垫的作用，热流主要向基板方向散失。

此时，Laves相呈颗粒状弥散分布于枝晶间，枝晶间距为7.14μm。

随着峰值电流的增大，当达到320A时，柱状枝晶开始发生断裂，如图1c所示，组织形态由柱状枝晶转变为胞状枝晶，此时由于枝晶断裂，导致枝晶间距增大为7.94μm，Laves相密集分布于枝晶间，数量明显增多。

当峰值电流继续增大至360A，组织已完全转变为胞状枝晶，枝晶间距增大至8.45μm，此时析出于枝晶间的Laves相互连接呈现长链状。

分析认为，随着峰值电流的增加，等离子弧的热输入量增大，热量积累较多，从而导致温度梯度下降。

根据经典的凝固理论［24］，成分过冷决定了合金凝固组织形态，而发生成分过冷的条件见式（1）：
图1 不同峰值电流的组织照片
式中，G为温度梯度；R为结晶速率；m为液相线斜率；C0为溶质浓度；k0为溶质平衡分配系数；DL为溶质在液相中的扩散系数。

显然，当温度梯度下降时，G／R减小，成分过冷加剧，因此组织形态由柱状枝晶转变为胞状枝晶。

同时，由于Inconel 718合金中Nb，Mo等元素的偏析加剧，导致Laves相的析出量也增多。

2.2 焊接速度
焊接速度为0.15m／min，0.25m／min的组织照片如图2所示。

图2 不同焊接速度的组织照片
从图2中可知，焊接速度为0.15m／min时，组织中以粗大的胞状枝晶为主，枝晶间距较大，为9.09μm，枝晶间析出大量块状Laves 相。

当焊接速度加快至0.2m／min时，如图1c和1d所示，枝晶发生明显细化，间距减小至7.94μm，Laves相呈小块状分布于枝晶间。

当焊接速度继续加快至0.25m／min时，枝晶间距减小至6.34μm，此时Laves相呈现细小的颗粒状弥散分布于枝晶间。

分析认为，随着焊接速度的加快，熔池的结晶速率加快，在其他条件不变的情况下，熔池的冷却速率G×R加快，因此组织细化，枝晶
间距减小。

相应的合金中易于偏析的元素没有足够的时间和空间析出，从而产生的Laves相尺寸和数量相应减少。

同心条件是要保证行星机构3个基本构件的回转中心处于同一轴线上,且各齿轮均能正确啮合,即保证相互啮合齿轮的中心距相等.
2.3 脉冲频率
脉冲频率为20Hz和100Hz时成型层的组织照片如图3所示，而脉冲频率为60Hz时成型层的组织照片则如图1c和1d所示。

图3 不同脉冲频率的组织照片
从图中可知，脉冲频率为20Hz时，组织中既有胞状枝晶，又有柱状枝晶，且二次枝晶重熔现象较为严重，枝晶间距平均为8.01μm。

关于二次枝晶重熔的机制，Manikandan等人已在文献［25］中指明，
因此导致合金中易于偏析的Nb，Mo等元素在重熔区聚集，从而形成岛状Laves相。

当脉冲频率为100Hz时，组织中以细长的柱状枝晶为主，但多数二次枝晶相连，从而使得枝晶间距较脉冲频率为60Hz时有所增大，为8.45μm，枝晶间Laves相多以块状或颗粒状存在。

对比来看，脉冲频率对成型层的组织影响并不明显，这主要是因为脉冲频率既不影响温度梯度，又不影响结晶速率，其主要作用是对熔池产生的振荡、搅拌作用使得组织发生变化。

可见，脉冲频率应根据实际工况进行调整，过大或过小均能使得组织粗化。

3 结论
（1）峰值电流主要影响温度梯度，随着峰值电流的增大，温度梯度减小，成分过冷加剧，组织由柱状枝晶转变为胞状枝晶。

（2）焊接速度主要影响结晶速率，随着焊接速度加快，熔池结晶速率加快，冷却速率加快，细化了组织，Laves相析出数量及尺寸均相应地减少。

（3）脉冲频率主要是通过熔池的搅拌作用来影响成型层的组织，其过大或过小均能造成组织粗化。

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